Процес стружкоутворення і типи стружок

 

Під дією ріжучого інструменту шар, що зрізується підлягає стиску. Процес стиску, як і процес розтягування, супроводжується пружними і пластичними деформаціями.

З діаграми розтягу м'якої сталі (мал. 25) видно, що спочатку (до точки а) зразок, що розтягується має пружні (оборотні) деформації, потім настає плинність металу (ділянка ас), після чого виникають пластичні (необоротні) деформації, що закінчуються руйнуванням (розривом).

Пластичне деформування заключається у зрушенні одних шарів відносно інших по так названих площинам ковзання, що співпадають в основному з напрямком найбільших зрушуючих навантажень. Такі зрушення мають місце як між окремими частинами кристалічного зерна (монокристала, мал. 26), так і між самими зернами в полікристалі; в результаті зрушень змінюється форма зерен, їх розмір і взаємне розташування. Процес пластичного деформування супроводжується великим тепловиділенням і зміною властивостей металу; однією з таких змін є зміцнення металу (підвищення твердості, і крихкості).

При стиску картина буде аналогічно описаної, тільки замість місця подовження зразка відбудеться його скорочення. Процес стиску при різанні відрізняється від звичайного стиску зразка, розташованого між двома поверхнями, що зближаються, тим, що зрізуючий шар зв'язаний з іншою масою заготівки; тому, якщо звичайний стиск зразка може бути названий вільним стиском, то стиск зрізаного шару при різанні можна назвати невільним стиском.

Дослідження, проведені акад. В. Д. Кузнецов [13] і д-ром техн. наук проф. В. А. Кривоухим [14, 15], показали, що основні закономірності вільного стиску мають місце і при невільному стиску і що процес стружкоутворення являє собою процес пружньо-пластичного деформування (стиску) зрізуємого шару.

В залежності від умов обробки зрізаний шар (стружка) може бути різних видів.

При обробці пластичних металів (сталей) мають місце три основних типи стружок: елементна, східчаста і зливна (мал. 27,а, б-в), а при обробці малопластичних металів - стружка надламу (мал. 27, г).

Елементна стружка виходить при обробці твердих і малов'язких металів з малою швидкістю різання. Вона складається з окремих пластично деформованих елементів, слабко зв'язаних чи зовсім не зв'язаних між собою. Утворення таких елементів стружки було наочно показане ще І. А. Тіме, що поклав початок науковому дослідженню процесу стружкоутворення (1868-1870 p.).

На мал. 28 дана схема утворення елементної стружки при вільному різанні. Під впливом сили Р_z,прикладеної до різця, останні поступово вдавлюється в масу металу, яка стискає його своєю передньою поверхнею і викликає спочатку пружні, а потім пластичні деформації.

В міру поглиблення різця ростуть напруги в шарі, що зрізується, і коли вони досягнуть величини міцності даного металу, відбудеться зрушення (сколювання) першого елемента по площині зрушення АВ, що складає з напрямком переміщення різця (з обробленою поверхнею) кут b₁. Кут b₁ називається кутом зрушення (сколювання).

Після сколювання першого елемента стружки різець своєю передньою поверхнею стискає (деформує) наступний прилеглий шар металу, у результаті чого утвориться другий елемент, що відокремлюється від основної маси металу по площині максимальних дотичних напружень під тим же кутом b₁ і т.д. У своїх дослідах І. А. Тіме установив, що в залежності від кута різання d кут D=(180° - b₁) = 145 -155° (чим більше d, тим більше D). Спостерігаючи за потусклінням ретельно відполірованих бічних поверхонь свинцевих пластинок І. А. Тіме перший установив, що шар, що зрізується, піддається пластичному деформуванню. Пізніше (1892-1893 р.) проф. К. А. Зворикін визначив положення площини сколювання теоретичним шляхом, підтвердивши дані І. А. Тіме (по Зворикіну кут D=135-157°).

Останні роботи радянських дослідників показали, що широкому діапазоні позитивних і негативних значень переднього кута різця D кут має трохи велику величину (135-170°) [16] і що по всій ширині зрізу кут зрушення b₁, не є величиною постійної [17]. Тому площина зрушення вірніше називати поверхнею зрушення. Використовуючи кінозйомку, проф. В. А. Кривоухов одержав виразну картину утворення елементної стружки при малій швидкості різання (0,625 мм/хв) сталі45 (мал. 29). На мал. 29а один з елементів хоча й утворений, але ще остаточно від основної маси металу не відділений. На мал. 29б цей елемент відокремився і різець при своєму русі продовжує деформацію й утворення наступного елемента (мал. 29, в, г, д), причому поверхнева частина шару, перетворюваного в другий елемент, уже піддалася пластичному деформуванню на деяку глибину при утворенні попереднього елемента, про що говорить скривлення попереднє нанесеної сітки. На мал. 29 видно, що перед відділенням елемента по поверхні зрушення спочатку, унаслідок концентрації напруги, з'являється попереджуюча тріщина, що, поширюючи догори, переходить у поверхню зрушення. Остаточно відділений другий елемент (мал. 29е) розташовується під першим. Перекручування сітки, нанесеної попередньо на бічну поверхню пластинки, показує, що обидва елементи по всьому їхньому обсязі піддалися пластичній деформації, перекручування сітки поблизу поверхні зрушення показує, що пластичної деформації піддалися і ці шари металу.

Застосувавши вперше до дослідження процесу різання металографічний метод (1912-1914р.), Я. Г. Усачьов показав, що мікроструктура стружки відмінна від мікроструктури основної маси оброблюваного металу і що в самій стружці маються площини ковзання АС (мал. 30) збігаються по напрямку з поверхнею зрушення АВ. Виявлені Я. Г. Усачовим площини ковзання являють собою площини, у яких відбуваються відносні зрушення часток металу при його пластичному деформуванні (стиску), перед тим як елемент стружки відокремиться від основної маси металу по поверхні зрушення. Ці площини ковзання є змушеним напрямком відносних зрушень часток металу при утворенні стружки, що приводить зерна металу до сильної деформації.

На мал. 31 ана мікрофотографія сталевої стружки, на якій видно, що в порівнянні з зернами основної маси металу зерна стружки сильно деформовані (витягнуті) у напрямку площин ковзання під кутом b₂

Східчаста стружка (див. мал. 27б) виходить при обробці сталей із середньою швидкістю різання. Прирізцева сторона такої стружки гладка, а протилежна сторона має зазублини з вираженим напрямком окремих міцно зв'язаних між собою елементів.

Зливна стружка (див. мал. 27в) виходить при обробці сталей з високою швидкістю різання. Вона сходить з різця у виді стрічки, без зазублин, властивих східчастій стружці.

Процес утворення зливальної стружки може бути представлений у наступному виді. Під дією сили Р, прикладеної до різця, в оброблюваній заготівки в зоні oecbdo (мал. 32) створюється напружений стан, а отже, відбувається пластичне деформування.

Кожна частка металу, потрапляючи в граничну зону oecb, починає пластично деформуватися. На мал. 32 це показано схематично у виді витягнутих зерен. В міру переходу від границі oecb до границі od, пластичне деформування (зрушення) часток металу зростає [18]. На границі, тобто в поверхні щонайбільших зрушень, відбувається останнє зрушення елементів малої товщини відносно один одного в напрямку під кутом b₂ і перехід шару, що зрізується, товщиною a в зливальну стружку товщиною a₁. Поверхня зрушення, спрямована під кутом b₁, є в цьому випадку верхньою границею зони, що безупинно піддається пластичному деформуванню від впливу різця. При елементній же і східчастій стружці ця поверхня була поверхнею, по якій відбувалося руйнування (сколювання) шару, що зрізується, на окремі елементи.

Чим більше швидкість різання, менше кут різання, твердіше оброблюваний метал, більше товщина зрізу і вище мастильно-охолоджуюча рідина, тим більше кут b₁.

Пластичне деформування при різанні відбувається не тільки в зоні oecbdo. Стружка, особливо її прирізцеві шари товщиною a₂ піддається додаткової пластичної деформації від дії сил тертя під час ковзання стружки по передній поверхні різця. У результаті цієї деформації зерна металу в прирізцевій стороні стружки розташовуються в напрямку, рівнобіжному передньої поверхні різця. Товщина a₂ складає 2-20% товщини стружки.

Додаткової деформації, унаслідок пружної післядії обробленої поверхні і великого її тертя об задню поверхню різця, піддаються і шари, розташовані близько до обробленої поверхні (товщина a₃, див. мал. 32).

Приймаючи в увагу, що зрізана стружка пластично деформована по всій її товщині і що пластичне деформування поширюється також у глибину від обробленої поверхні і від поверхні різання, загальну зону поширення пластичної деформації при стружкоутворені можна окреслити границею bcef див. мал. 32).

Крім зазначених типів стружок, при обробці сталей можуть утворюватися і проміжні стружки. Чим більше швидкість різання і в'язкість оброблюваного металу, менше кут різання і товщина зрізу і вище якість мастильно-охолоджуючої рідини, тим стружка ближче до зливної.

Ще І. А. Тіме у своїх роботах вказував на змінність сили, що діє на різець з боку зрізаємого шару. Найменше значення при елементній стружці буде на початку деформації при утворенні першого елемента. В міру просування різця і збільшення деформації елемента сила різання буде зростати, досягне свого найбільшого значення в момент сколювання елемента, а потім зменшиться до деякого значення, але не упаде до нуля, тому що деформування другого елемента стружки починається трохи раніш, ніж закінчується сколювання першого елемента. Таке коливання сили різання викликає нерівномірне навантаження на різець, заготівку і всі частини верстата, що при недостатній твердості може привести до вібрацій і погіршення якості обробленої поверхні. При східчастій стружці зміна сили різання буде меншою, чим при елементній, і робота буде протікати більш спокійно. Ще менша зміна сили різання буде при зливній стружці, що поряд з більш рівномірним навантаженням на систему ВПІД, буде сприяти одержанню і менш шорсткуватої обробленої поверхні.

Таким чином, по типу стружки можна судити про якісну сторону протікання процесу різання. Одержання зливної стружки замість стружки сколювання і східчастої багато в чому підтверджує правильність призначених геометричних елементів частини ріжучого різця, і елементів режимів різання.

Стружка надламу (див. мал. 27г) виходить при обробці малопластичних металів (твердого чавуна, твердої бронзи). Стружка складається з окремих як би виламаних елементів, різноманітних за формою і не зв'язаних чи дуже слабко зв'язаних між собою. Випереджальна тріщина при утворенні стружки надламу поширюється відразу уздовж усієї поверхні зрушення, по якій стружка відокремлюється від основної маси металу. "Сипуча" стружка надлому пластично мало деформована, але вона створює різко-нерівномірне навантаження на всю систему ВПІД (верстат - пристосування - інструмент - деталь). Оброблена поверхня при такій стружці виходить шорсткувата, з великими западинами і виступами. Будучи слабко зв'язаними між собою, елементи стружки надламу мають мале відносне переміщення по передній поверхні різця.

У визначених умовах, при обробці чавунів середньої твердості, стружка надламу може вийти у виді кілець (мал. 66), трохи нагадуючи зливну стружку. Але подібність зі зливною стружкою тут тільки зовнішня. Досить злегка зжати таку стружку в руці, як вона легко руйнується на окремі елементи, властиві стружці надламу.

При зіткненні різця з деформуючою частиною металу внаслідок великого тиску різця і викликаного цим тиском пластичного деформування прилеглих до передньої поверхні шарів, а також внаслідок наявності мікронерівностей на передній поверхні різця між ними (тобто між різцем і деформованим шаром) відбувається зачеплення. Це зачеплення створює на передній поверхні різця тонкий загальмований шар А (мал. 34). Чим грубіше оброблена передня поверхня різця, тим більше товщина загальмованого шару, щодо якого почне текти пластично деформований по всій товщині зрізу і метал, що іде в стружку. Гальмуванню тонкого шару металу в зоні деформації сприяє і молекулярне зчеплення (прилипання) поверхонь контакту стружки і різця.

При переміщенні стружки сили внутрішнього тертя, що діють у шарах переходу від багнистого загальмованого шару до основної маси стружки, роблять додаткові деформації в цих шарах, напрямок зрушень яких збігається з напрямком передньої поверхні різця.

У загальмованому шарі, що деформований більше шарів стружки, що стикаються з ним, зрушення відбуваються зі значно меншими швидкостями, а тому наявність загальмованого шару, розташованого в самої кромки, що ріже, створює такі умови, при яких найбільше відносне ковзання стружки по передній поверхні різця, а отже, і тертя, викликане цим ковзанням, буде протікати на деякій відстані від кромки, що ріже. Цим і припускається, що незважаючи на найбільший тиск у самої ріжучої кромки знос різця по передній поверхні (у виді лунки) починається на деякій відстані від кромки, що ріже, (мал.95). Центр лунки зносу прийнято називати центром тиску.

З викладеного випливає, що поряд з нормальним тиском, який випробує передня поверхня різця при деформації (стиску) шару, що зрізується, вона піддається також впливу і сил тертя, що мають місце в поверхнях контакту стружки, що сходить, з передньою поверхнею різця. Очевидно, чим менше буде коефіцієнт тертя між поверхнями ковзання, тим менше будуть сили тертя і деформації стружки, а також загальний тиск на різець.

Ще Я. Г. Усачьов показав, що деформуванням піддається не шар, що тільки зрізується, але і шари основної маси металу, від яких виробляється відділення стружки, тобто поверхня різання й оброблена поверхня (глибина пластичної деформації поверхневого шару a₃ показана на мал. 32). Ці деформації, особливо пружні, створюють витріщання металу Н уп (мал. 35), що викликає тиск металу на задні поверхні інструмента, а тому що останні мають переміщення щодо поверхні різання й обробленої поверхні, то поряд з нормальним тиском на задні поверхні інструмента будуть діяти ще і сили тертя.

Таким чином, різець, уклинивши під дією прикладеної до нього сили в оброблюваний метал, знаходиться в тісному контакті з деформуючими шарами, що (при обробці сталей і відсутності випереджальної тріщини) як би обтікають його кромку, що ріже, передню і задню поверхні і створюють діючі на інструмент нормальні тиски і сили тертя Т и Т₁ (мал. 35). Нормальні тиски на передню і задню поверхні розподіляються нерівномірно (див. мал. 35): найбільші нормальні тиски знаходяться у вершини різця (поблизу площини різання).

Виникаючі при різанні й обробленій поверхні, що залишаються в поверхневих шарах, залишкові напруги (стиску або розтягання) впливають на зносостійкість і міцність деталі.

Дослідження, проведені по різанню конструкційних сталей, показують [19, 20], що при точінні звичайними різцями (j₁) залишкові напруги розтягання зростають при збільшенні подачі S, глибини різання t, радіуса заокруглення г при вершині різця в плані і радіуса округлення ріжучої кромки r.

Вплив швидкості різання на залишкові напруги більш складно. При різанні сталей зі збільшенням швидкості зрізання залишкові напруги розтягу зменшуються і, починаючи з деякої швидкості (150-500 м/хв), переходять у залишкові напруги стиску (50-60 кг/мм²).

При зміні переднього кута від 0 до -30° залишкові напруги розтягу переходять у залишкові напруги стиску.

Відпал оброблюваного металу знімає залишкові напруги.