Резание как процесс последовательного деформировании срезаемого слоя металла

Металлы в твердом состоянии являются поликристаллическими телами, имеющими зернистую (полиэдрическую) структуру с определенной кристаллической решеткой. При резании металлов и их сплавов отдельные кристаллы деформируются, а затем разрушаются по кристаллографическим плоскостям.

Процесс резания металла можно представить следующей схемой. В начальный момент, когда движущийся резец под действием силы Р вдавливается в металл (рис. 43), в срезаемом слои возникают упругие деформации. При дальнейшем движении резца упругие деформации, накапливаясь по абсолютной величине, пе­реходят в пластические. В материале заготовки возникает сложное упругопапряженное состояние. В плоскости, совпадающей с тра­екторией движения вершины резца, возникают касательные τх и нормальные напряжения σу. Величина τх имеет наибольшее значение в точке А приложения действующей силы, а по мере удаления от нее уменьшает­ся до нуля.

Рис. 43. Схема упругонапряженного состояния металла при обработке резанием.

Нормальные напряжения σу вначале действуют как растягивающие (+σу), что при определенных условиях может вызвать «раскалыва­ние» металла – опережающую трещину в направлении при­ложения внешней силы. На­пряжения σу имеют наиболь­шее значение в точке А, а затем быстро уменьшаются и, переходя через нуль, превращают­ся в напряжения сжатия (–σу).

Срезаемый слой металла находится под воздействием давления резца, касательных и нормальных напряжений, и сложное упруго-напряженное состояние металла переходит в пластическую дефор­мацию. Возрастание пластической деформации приводит к сдвиговым деформациям – смещению частей; кристаллов относительно друг друга.

Наибольшие пластические деформа­ции возникают в зоне стружкообразования ABC (рис. 43). Зона деформи­рования (стружкообразования) ограни­чивается линией АВ, вдоль которой происходят первые сдвиговые деформа­ции, и линией АС, вдоль которой про­исходят последние сдвиговые деформа­ции.

Сдвиговые деформации вызывают скольжение отдельных частей зерен по кристаллографическим плоскостям (плоскостям скольжений) в определенных направлениях. Плоскости скольжения, возникаю­щие вследствие необратимого перемещения атомов, дробят зерна на отдельные части (пластины), которые в процессе деформации повертываются в определенном направлении по отношению к дей­ствующей силе. Зерна вытягиваются, располагаются цепочками; кроме того, упрочняется металл (рис. 44).

Рис. 44. Схема процесса образования стружки

В момент, когда пластические деформации достигнут наиболь­шей величины, а напряжения превысят силы внутреннего сцепле­ния зерен металла, зерна смещаются относительно друг друга и скалывается элементарный объем металла 1 (рис. 44). Далее процесс деформирования повторяется, скалываются следующий элементарные объемы металла 2, 3 и т. д. и образуется стружки.

При больших скоростях резания считают, что сдвиговые дефор­мации происходят не по линиям АВ и АС, а по одной плоскости – плоскости сдвига 00 (см. рис. 34). Наличие такой плоскости было впервые установлено русским ученым И. А. Тиме, а мате­матическое обоснование положения этой плоскости в простран­стве дано проф. К. А. Зворыкиным. Плоскость сдвига 00 распо­лагается под углом θ к направлению движения резца. Этот угол называют углом сдвига.

Срезаемый слой, деформированный в зоне стружкообразования, превратившись в стружку, подвергается дополнительной деформации вследствие трения стружки о переднюю поверхность инструмента, что окончательно формирует структуру в виде вытяну­тых зерен. Зерна вытягиваются по плоскости О1О1 которая со­ставляет с плоскостью сдвига 00 угол β (рис. 44).

Таким образом, резание — это процесс последовательного доформирования срезаемого слоя металла: упругого, пластического разрушения.

Характер деформации зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, геометрии инструмента, режимов резания, условий обработки. Наибольшее значение в процессе резания пластичных материалов (сталей средней твердости) имеют пластическая деформация. У хрупких металлов пластическая деформация практически отсутствует.

Для сталей средней твердости положение плоскости сдвига 00 в пространстве практически постоянно (угол θ 30°). Угол зависит от свойств обрабатываемого материала и угла резании (δ = 90° – γ) режущего инструмента и составляет 0 – 30°. При резании хрупких металлов угол β меньше (близок к нулю), при резании пластичных металлов β доходит до 30°.

Стружкообразование — сложный физико-механический процесс доформирования металла, на который влияют многие факторы. Знание законом пластического деформирования и явлений, сопровождающих процесс резания, позволяет найти пути повышения качества обработанных поверхности дегалей машин, их надежности, износостойкости, снижения мощности резания и т. д.

Виды стружек и их усадка

При резании металлов с разными физико-механическими свойствами образуются три вида стружек: сливная, скалывании и надлома (рис. 45, а—в).

Сливная стружка образуется при резании пластичных металлов и сплавов и представляет собой сплошную ленту с гладкой внут­ренней (прирезцовой) стороной. С внешней стороны сливная стружка имеет слабо выраженные пилообразные зазубрины.

Стружка скалывания образуется при обработке металлов средней твердости. Она имеет гладкую внутреннюю сторону, а на внеш­ней стороне — ярко выраженные зазубрины. Она как бы состоит из отдельных элементов, соединенных между собой в ленту.

Стружка надлома образуется при обработке хрупких металлов и состоит из отдельных элементов, не связанных между собой. С внутренней стороны она шероховатая.

Вид стружки зависит от физико-механических свойств обра­батываемого металла, режима резания, геометрии режущего ин­струмента, применяемых смазочно-охлаждающих веществ в про­цессе резания. Вид образующейся стружки влияет на скорость изнашивания режущего инструмента, шероховатость обработан­ной поверхности, силы резания, конструкцию инструмента (размеры стружечных канавок). Вид стружки (надлома) упрощает или усложняет (сливная стружка) ее отвод из зоны резания и тран­спортировку.

Рис. 45. а – сливная; б – скалывания; в – надлома

С точки зрения удобства удаления стружки из зоны резания и ее транспортировки, а также предохранения обработанной по­верхности от царапания ее образующейся стружкой, целесообразна обработка резанием в условиях образования стружки надлома. Для получения стружки надлома (элементной) на режущем ин­струменте выполняют стружкозавивательные и стружколомные устройства, применяют прерывистый процесс резания, изменяют геометрию режущего инструмента и режим резания, а при изго­товлении деталей на автоматах часто используют специальные автоматные стали.

Изменяя факторы, влияющие на характер образующейся струж­ки, можно при резании одного и того же металла получить разные виды стружек, так как пластичность и хрупкость являются не свойствами вещества, а характеризуют его состояние.

Стружка скалывания претерпевает наибольшие деформации и на ее образование затрачивается большая работа по сравнению с работой, затрачиваемой при образовании сливной стружки и стружки надлома.

Стружка, образующаяся в процессе резания, подвергается значительной пластической деформации одним из проявлений которой является ее усадка. Усадка состоит в том, что длина стружки меньше длины обработанной поверхности, а толщина – больше толщины срезанного с заготовки слоя металла. Ширина стружки практически не изменяется.

Укорочение и утолщение стружки по сравнению с длиной и толщиной срезанного слоя называют усадкой стружки, которой характеризуется коэффициентом усадки К.

Чем пластичнее металл, тем больше коэффициент усадки струж­ки. Для хрупких металлов К близок к единице, для пластичных металлов К = 5 – 7. Усадка стружки зависит от физико-механических свойств обрабатываемого металла, режима резания, геометрии инструмента, условий резания и т. д.

При скоростях резания 10—50 м/мин усадка стружки наиболышая, а при скоростях резания более 200—500 м/мин она резко уменьшается. С увеличением угла резания усадка увеличивается, с возрастанием главного угла в плане – уменьшается. Смазочно-охлаждающие жидкости снижают усадку стружки.

Силы резания

Деформирование и срезание с заготовки слоя металла происходит под действием внешней силы Р, приложенной со стороны инструмента к обрабатываемой заготовке, направление которой совпадает с направлением скорости резания v. Произведение Pv представляет собой работу, затрачиваемую на деформацию и раз­рушение материала заготовки:

A = Ау+Аи+Ат

где А — работа, затраченная на срезание припуска с обрабаты­ваемой заготовки; Ау — работа, затраченная на упругое дефор­мирование металла; Аи — работа, затраченная на пластической деформирование металла и его разрушение; Ат — работа, затра­ченная на преодоление сил трения задних поверхностей инстру­мента о заготовку и стружки о переднюю поверхность инструмент.

В результате сопротивления металла деформированию возни­кают реактивные силы, действующие на резец: нормального давления и трения. Реактивные силы – это силы упругого Ру1 и пластического Рп1 деформирования, действующие перпендикулярно передней поверхности резца, и силы РУ2 и РП2, действующие перпендикулярно главной задней поверхности резца (рис. 46, а). Наличие нормально действующих сил обусловливает возникно­вение силы трения Т1 = f1(Py1 + Рп1), действующей вдоль пород­ней поверхности резца, и Т2 = f2(Pу2 + Рп2), действующей вдоль главной задней поверхности резца (f1, и f2 — коэффициенты троими стружки о резец и резца о заготовку).

Указанную систему сил приводят к одной силе R — равнодействующей силе резания:

Условно считают, что точка приложения силы R находится па рабочей части главного режущего лезвия резца (рис. 46, б).

Абсолютная величина, точка приложения и направление в про­странстве равнодействующей силы резания R в процессе обра­ботки являются переменными.

Это объясняется неоднородностью структуры и переменной по­верхностной твердостью материала заготовки, непостоянством сечения срезаемого слоя (наличие штамповочных и литейных ук­лонов, галтелей и т. д.); изменением углов γ и α в процессе ре­зания и т. д. Поэтому для практических расчетов используют не равнодействующую рилу резания, а ее составляющие, действующие по трем взаимно перпендикулярным направлениям: коорди­натным осям металлорежущего станка. Такими осями для токарно- винторезного станка являются: ось х — линия центров станка, ось у — линия, перпендикулярная к линии центров станка, ось z — линия, перпендикулярная к плоскости х — у (рис. 46, б).

Рис. 46. Схема сил, действующие на резец (а), и разложение силы резания на составляющие (б).

Вертикалъная составляющая силы резания Рz действует в пло­скости резания в направлении главного движения (по оси z). По силе Рz определяют крутящий момент на шпинделе станка (заготовке), эффективную мощность резания, деформацию изгиба заготовки в плоскости х — z (рис. 47, а), изгибающий момент Мz, действующий на стержень резца (рис. 47, б); по силе Pz ведут динамический расчет механизмов коробки скоростей станка.

Радиальная составляющая силы резания Ру действует в плос­кости х — у перпендикулярно оси заготовки. По силе Ру опреде­ляют упругое отжатие резца от заготовки и деформацию из­гиба заготовки в плоскости х — у (рис. 47, а).

Осевая составляющая силы резания Рх действует в плоскости х — у вдоль оси заготовки. По силе Рх рассчитывают механизмы подач станка и изгибающий момент Мх, действующий на стержень резца (рис. 47, б).

По величине деформации заготовки от сил Рz и Рy рассчиты­вают ожидаемую точность размерной обработки заготовки и погрешность ее геометрической формы. По величине суммарного изгибающего момента от сил Pz и Рх рассчитывают стержень резца на прочность и т. д.

Рис. 47. Схема деформации заготовки (а) и резца (б) под действием силы резания

Величину и направление равнодействующей силы резания опре­деляют как диагональ параллелепипеда, построенного на состав­ляющих силах:

Силу Pz (в Н) определяют по эмпирической формуле:

где СPz — коэффициент, учитывающий физико-механические cвойства обрабатываемого материала; t — глубина резания, мм, s — подача, мм/об; v — скорость резания, м/мин; kMPz — коэффициент, учитывающий факторы, не вошедшие в формулу (величины углов резца, условия обработки, материал режущего инструмента и т. д.).

Коэффициенты СPz и kMPz и показатели степеней хPz, yPz, и nPz даны в справочниках в зависимости от конкретных условий обработки.

Аналогичные формулы существуют для определения сил Ру, Рх. Однако на практике определяют лишь силу Рz, а силы Рх и Ру берут в частях от Рz.

Соотношение между силами Pz, Py, Рх зависит от геометрии режущей части резца, режима резания, износа резца, физико-ме­ханических свойств обрабатываемого материала и условий об­работки.

При обработке стали резцом с γ = 15°, φ = 45°, λ = 0, без охлаждения приближенно считают, что Рz:Рy:Рх = 1:0,45:0,35.

Отношения Ру: Рz: Рх возрастают с увеличением износа резца; с уменьшением угла φ увеличивается отношение Ру: Pz; с увеличением подачи возрастает отношение Рх: Рz и т. д.

Крутящий момент на шпинделе станка (в Нм)

где Dзаг — диаметр обрабатываемой поверхности, мм.

Эффективной мощностью Ne называют мощность, расходуе­мую на процесс деформирования и срезания с заготовки слоя ма­териала.

При точении цилиндрической поверхности на токарно-винторезном станке эффективная мощность в (кВт)

где n —частота вращения заготовки, об/мин. Мощность электродвигателя станка (в кВт)

где η — к. п. д. механизмов и передач станка.