Физические явления при резании металлов.

 

Превращение срезаемого слоя в стружку при резании является одной из разновидностей процесса деформации материала. Основным признаком пластической деформации является необратимое изменение формы тела под действием внешних сил без нарушения сплошности деформируемого тела. Большое внимание при исследовании процесса резания уделяется процессу стружкообразования, так как он предопределяет протекание процесса резания в целом. На осуществление процесса стружкообразования затрачивается более 90% работы резания, при стружкообразовании выделяется основная часть тепла. От этого процесса, главным образом, зависит тепловой режим и контактные нагрузки на рабочих поверхностях инструмента, а следовательно интенсивность и характер износа. Можно сказать, что почти все характеристики процесса резания зависят от процесса стружкообразования.

 

8. Деформирование металлов при резании. Схема образования стружки.

 

В некотором приближении процесс образования стружки при резании пластичного металла можно представить как последовательные сдвиги в некотором объеме. Рассмотрим диаграмму деформации пластичного металла при сдвиге, настроенную по экспериментальным данным в координатах «напряжения (t) – относительная деформация (Е)». На кривой точка А соответствует пределу текучести. Пластические деформации начинают совершаться после того, как напряжения в нем достигнут предела текучести. В пластической области основной особенностью является деформационное упрочнение (наклеп), то есть способность оказывать возрастающее сопротивление деформации при напряжениях, превосходящих предел текучести. Для достижения деформации Е1 необходимо увеличение касательных напряжений до величины t₁. После снятия нагрузки в образце восстановятся упругие деформации, равные Е_упр. Размеры образца изменятся на величину, соответствующую остаточной деформации Е_ост. Если образец вновь нагрузить, то диаграмма деформации будет начинаться в точке С, идти к точке В и далее к точке Д.

Таким образом область напряжений и деформаций,в котором выполняется закон Гука, расширяется, а величина предела текучести t΄_s c участком упрочнения, вызванного предшествующей деформацией, повышается до величины t₁ . t΄_s t_s

Рассмотрим схему зоны стружкообразования в сечении главной секущей плоскости при обработке пластических материалов.

Режущий клин инструмента движется со скоростью V,деформирует срезаемый слой толщиной «а». Стружка толщиной «а» движется со скоростью V_e по передней поверхности инструмента, касаясь ее на участке длиной «с» и отрываясь от нее в точке «Е». АG – называется линией среза. В процессе резания зона стружкообразования перемещается вместе с режущим клином. Частицы срезаемого слоя проходят через зону деформирования и подвергаются последовательно нарастающим деформациям от нуля до некоторой предельной величины. Граница, где начинаются упругие деформации описывается линией РН. Напряжения в металл до линии РН равны нулю. На линии АВ начинается пластическое деформирование срезаемого слоя, которая является начальной границей зоны стружкообразования. Линия АС является конечной границей зоны стружкообразования, а линия ВС – наружной границей зоны стружкообразования. Пластическая деформация происходит в объеме АВСА. При реальных скоростях резания расстояние между линиями АВ и АС очень мало. Это дает право принять допущение, что процесс деформации происходит в одной плоскости АД, которая называется плоскостью сдвига (скалывания). Впервые о плоскости сдвига высказал предположение И.А. Тиме. Плоскость сдвига расположена под определенным углом к вектору скорости резания, которая называется углом сдвига (скалывания). При обработке пластичных металлов угол сдвига изменяется в пределах Q = 30-35⁰. Стружка перемещаясь по передней поверхности со скоростью V_e, под действием сил трения претерпевает вторичную пластическую деформацию. АЕ – линия вторичной пластической деформации. Ширина площадки контакта стружки с передней поверхностью при обработке пластичных материалов составляет е = (2…5)а.

Таким образом в зоне резания наблюдается деформации сдвига и сжатия, причем деформации сдвига - преобладающие. Область пластически деформированного металла впереди режущего инструмента распространяется ниже линии среза на глубину h, которая определяет качество обработанной поверхности.

После обработки деформированные слои поверхности резания АН восстанавливают упругие деформации Е_упр . Поверхностный слой как бы приподнимается на величину абсолютной упругой деформации h_у. На участки АН металл давит на заднюю поверхность, что вызывает износ режущего инструмента.

 

Относительный сдвиг

 

Степень пластической деформации при превращении срезаемого слоя в стружку характеризуется относительным сдвигом. До деформации элемент металла толщиной

ΔX имеет форму прямоугольника АВСД.

Под действием силы Р наружный слой металла сдвигается в положение В₁С₁. Величина

ΔS = В₁В = С₁С – называется абсолютным сдвигом, а отношение абсолютного сдвига к толщине деформированного слоя ΔX называется относительным сдвигом. Е = S/X

 

 

Определим величину относительного сдвига при резании металла.

В положении 1 параллелограмм АВСД относится к срезаемому слою

В положении 2 параллелограмм относится к элементу стружки.

Из точки С опускаем перпендикуляр СК

ΔDD΄ = ΔS = DK + D΄K; CK = ΔX;

Из ΔСКD: KD = CK ctg Q = ΔX ctg Q;

Из ΔD΄KC: KD΄ = CK tg (Q – Y) = ΔX tg (Q – Y)

ΔS = KD +KD΄ = ΔX (ctg Q + tg (Q – Y))

E= ΔS / ΔX = ctg Q + tg (Q – Y)

 

 

Из уравнения видно, что увеличение Y и Q приводит к уменьшению относительного сдвига.

 

Образование текстуры при резании металлов.

 

Пластическая деформация металла вызывает в ней появление в ней текстуры, то есть определенным образом ориентированных зерен.

Выделим из срезаемого слоя зерно в виде окружности до сдвига. В результате сдвига окружность превращается в эллипс. b – угол текстуры между плоскостью сдвига и осью зерна. Чем больше степень пластической деформации, тем угол текстуры меньше. Зерно, находящееся около передней поверхности меняет свою текстуру, от сил трения на передней поверхности.

 

Усадка стружки

 

Внешним проявлением пластических деформаций в зоне стружкообразования выражается в усадке стружки. Форма и размеры стружки отличаются от формы и размеров срезаемого слоя. Длина стружки получается короче пути, пройденного резцом, а толщина стружки больше толщины срезаемого слоя.

Объем металла при превращении в стружку не изменяется. Объем срезаемого слоя V = aLв

Объем стружки V₁ = a₁L₁в₁; a₁L₁в₁ = aLв

При в = в₁: a₁L₁ = aL; a₁/a = L/L₁ отношение называется коэффициентом усадки стружки.

К_а= a₁/a –коэффициент поперечной усадки стружки

К_е= L/L₁ – коэффициент продольной усадки стружки.

К_е= К_а при в = в₁ К_а= К_е 1 и изменяется от 1 до 8. Коэффициент усадки стружки характеризует напряженность процесса резания.

Из ΔАВС: АВ= ВС/ sin Q = a/sin Q

Из ΔАВF: BF/ cos (Q – Y) = a₁/cos (Q – Y)

К_а = a₁/a = cos (Q – Y)/sin Q

С уменьшением угла Q усадка стружки возрастает

С увеличением угла Y усадка стружки уменьшается.