1.6. Физическая сущность процесса резания

Резание металлов – сложный процесс взаимодействия режущего инструмента и заготовки, сопровождающийся рядом физических явлений, например, деформированием срезаемого слоя металла. Упрощенно процесс резания можно представить следующей схемой. В начальный момент процесса резания, когда движущийся резец под действием силы Р (рис. 1.6.1) вдавливается в металл, в срезаемом слое возникают упругие деформации. При движении резца упругие деформации, накапливаясь по абсолютной величине, переходят в пластические. В прирезцовом срезаемом слое материала заготовки возникает сложное упругонапряженное состояние. В плоскости, перпендикулярной к траектории движения резца, возникают нормальные напряжения _у, а в плоскости, совпадающей с траекторией движения резца, – касательные напряжения _x. В точке приложения действующей силы значение _x наибольшее. По мере удаления от точки А _x уменьшается. Нормальные напряжения _у вначале действуют как растягивающие, а затем быстро уменьшаются и, переходя через нуль, превращаются в напряжения сжатия. Срезаемый слой металла находится под действием давления резца, касательных и нормальных напряжений.

Рис. 1.6.1. Упругонапряженное состояние металла при обработке резанием

Сложное упругонапряженное состояние металла приводит к пластической деформации, а рост ее – к сдвиговым деформациям, т. е. к смещению частей кристаллов относительно друг друга. Сдвиговые деформации происходят в зоне стружкообразования АВС, причем деформации начинаются по плоскости АВ и заканчиваются по плоскости АС, в которой завершается разрушение кристаллов, т. е. скалывается элементарный объем металла и образуется стружка. Далее процесс повторяется и образуется следующий элемент стружки.

У словно считают, что сдвиговые деформации происходят по плоскости ОО, которую называют плоскостью сдвига. Она располагается примерно под углом  = 30 ⁰ к направлению движения резца. Угол  называют углом сдвига. Наличие поверхности сдвига в процессе стружкообразования и положение ее в пространстве было установлено русскими учеными И. А. Тиме и К. А. Зворыкиным. Срезанный слой металла дополнительно деформируется вследствие трения стружки о переднюю поверхность инструмента. Структуры металла зоны АВС и стружки резко отличаются от структуры основного металла. В зоне АВС расположены деформированные и разрушенные кристаллы, сильно измельченные и вытянутые в цепочки в одном, вполне определенном направлении, совпадающем в направлением плоскости О₁О₁, которая с плоскостью сдвига составляет угол  (рис. 1.6.2).

Рис. 1.6.2. Схема процесса образования стружки

Характер деформирования срезаемого слоя зависит от физико-механических свойств материала обрабатываемой заготовки, геометрии инструмента, режима резания, условий обработки. В процессе резания заготовок из пластичных металлов и сталей средней твердости превалирует пластическая деформация. У хрупких металлов пластическая деформация практически отсутствует. Поэтому при резании деталей из хрупких металлов угол  близок к нулю, а при резании деталей из пластичных металлов  доходит до 30 ⁰, что свидетельствует о сложном внутреннем процессе деформирования кристаллов и формировании новой структуры. Знание законов пластического деформирования и явлений, сопровождающих процесс резания, позволяет повысить качество обработанных поверхностей деталей машин и их надежность.

При резании металлов образуется стружка сливная, скалывания или надлома. Сливная стружка, появляющаяся при резании пластичных металлов, представляет собой сплошную ленту с гладкой прирезцовой стороной. На внешней стороне ее видны слабые пилообразные зазубрины. Стружка скалывания, образующаяся при резании металлов средней твердости, представляет собой ленту с гладкой прирезцовой стороной, на внешней стороне – ярко выраженные зазубрины. Стружка надлома образуется при резании хрупких металлов и состоит из отдельных, не связанных между собой элементов. Вид образующейся стружки зависит от физико-механических свойств металла обрабатываемой детали, режима резания, геометрии режущего инструмента, применяемых в процессе резания смазочно-охлаждающих веществ.

Стружка, образующаяся в процессе резания, подвергается значительному пластическому деформированию, одним из проявлений которого является ее усадка. Усадка стружки состоит в том, что длина стружки оказывается меньше длины обработанной поверхности, а толщина – больше толщины срезанного слоя металла. Ширина стружки практически остается без изменений. Усадка стружки характеризуется коэффициентом усадки K. Чем пластичнее металл заготовки, тем больше величина коэффициента K усадки стружки. Величина усадки стружки зависит от физико-механических свойств обрабатываемого металла, режима и условий резания, геометрии инструмента.