Физические основы процесса резания металлов

Резание металлов — это сложный процесс физико-химического взаимодействия режущего инструмента, заготовки и окружающей среды. В начальный момент режущее лезвие инструмента вдавливается в металл, в срезаемом слое возникают упругие деформации, которые затем переходят в пластические. В плоскости, перпендикулярной траектории перемещения резца, возникают нормальные напряжения, а, а в плоскости, совпадающей с траекторией перемещения резца, — касательные напряжения т. Срезаемый слой металла пластически деформируется. Рост пластических деформаций приводит к деформации сдвига, т.е. смещению частей кристалла относительно друг друга. Срезанный сегмент стружки претерпевает дополнительную деформацию вследствие трения о переднюю поверхность и завивается в спираль. Структура металла в зоне BDEC отличается от структуры нижележащих слоев основного металла. (На рис. 1.5. недеформированные слои условно показаны в виде окружностей, по мере деформации окружности сплющиваются, и большая ось получившихся овалом располагается под углом к линии ОО.) Характер деформаций срезаемого слоя зависит от физико-механических свойств обрабатываемого металла, геометрии режущего инструмента, условий обработки, режимов резания и т.д.

При резании с малыми скоростями и большими величинами подачи и глубины резания стружка имеет ярко выраженные плоскости сдвига и сегменты (стружка скалывания). При резании с большими скоростями и малыми величинами подачи и глубины резания стружка имеет вид сплошной ленты, прирезцовая сторона гладкая, на внешней стороне видны небольшие пилообразные зазубрины (сливная стружка). Такая стружка может травмировать оператора (токаря), ее сложно убирать со станка, сложно транспортировать в отделение переработки стружки, поэтому необходимо применять специальные устройства для ее дробления (например, стружколомные канавки на передней поверхности резца). При обработке хрупких материалов пластическая деформация практически отсутствует; стружка имеет вид отдельных, не связанных друг с другом сегментов (стружка надлома).

По мере прохождения режущего инструмента обработанная поверхность, вследствие воздействий упругих и пластических деформаций, упруго восстанавливается на величину h, и структура поверхностных слоев отличается от структуры сердцевины. Твердость поверхностного слоя будет выше твердости сердцевины, образуется так называемый наклепанный слой, наклеп. Величина упругого восстановления обработанной поверхности, твердости поверхностного слоя, глубины расположения наклепанного слоя. И эпюры напряжений зависят от физико-механических свойств обрабатываемого металла, геометрии режущего инструмента, условий обработки, режимов резания. Чем больше упругопластические свойства обрабатываемого материала, чем больше применяемые глубина резания и подача и чем меньше скорость резания, ем больше величина упругого восстановления обработанной поверхности, твердость поверхностного слоя и тем глубже распространен наклеп.

Рис. 1.5. Схема процесса резания:

D_r — движение резания; BCF — передняя поверхность; GAB — задняя поверхность; BD — плоскость скалывания; BDEC — зона стружкообразования; ОО — плоскость сдвига; О₁О₁ — направление осей деформированных кристаллов; h — упругое восстановление обработанной поверхности; t — глубина резания; σ, τ -нормальные и касательные напряжения соответственно

Процесс образования стружки. Процесс реза­ния можно рассматривать как процесс местного сжатия и сдвига металла резцом с последующим образованием стружки. Слой металла, подлежащий срезанию, находится в сложнонапряженном состоянии; упругим и пластическим деформированиям подвергаются также близлежащие слои металла, расположенные впереди резца и под ним.

По классификации проф. И. А. Тиме в процессе резания различных материалов образуются следующие основные виды стружек: сливные (непрерывные), скалывания (эле­ментные) и надлома (рис. 1.6).

Сливные стружки образуются при резании вязких и мяг­ких материалов (например, мягкой стали, латуни) и явля­ются наиболее распространенными. Стружки надлома обра­зуются при резании хрупких металлов (например, серых чугунов). Такая стружка состоит из отдельных, как бы вырванных элементов, почти не связанных между собой; при этом обработанная поверхность получается грубошероховатой, неровной. Стружки скалывания занимают про­межуточное положение между сливными стружками и стружками надлома и образуются при обработке некоторых сортов латуни и твердых сталей с большими подачами и от­носительно малыми скоростями резания. С изменением условий обработки стружка скалывания может перейти в сливную, и наоборот. Образованию сливной стружки спо­собствуют увеличение переднего угла у, уменьшение тол­щины среза а, повышение скорости резания v, а также уве­личение пластичности обрабатываемого материала.

Рис 1.6. Ти пы стружек.

а – сливная, б – скалывания, в – надлома.

Рис 1.7. Схема образования стружки скалывания.

Образование стружки скалывания происходит следую­щим образом (рис. 1.7). Резец под действием силы Р внед­ряется в металл и сжимает его, вызывая в нем упругопла­стические деформации. В срезаемом слое металла впереди резца возникают скалывающие напряжения. Когда эти напряжения превысят прочность металла, произойдет ска­лывание первого элемента стружки по плоскости скалыва­ния АВ. При дальнейшем Продвижении резца происходит образование следующих элементов стружки (обозначены номерами 1, 2, 3...) аналогично предыдущим. Направление плоскости скалывания АВ составляет с направлением дви­жения резца угол β₁, который называется углом скалыва­ния. Этот угол несколько изменяется с изменением условий резания, и главным образом с изменением угла резания δ.

В сливных стружках разделение элементов по плоскости скалывания не происходит. В этом случае угол β₁ правиль­нее называть углом сдвигов (смещений).

Характер и степень деформации металла заготовки при образовании стружки определяют шероховатость обрабо­танной поверхности, количество теплоты, выделяющейся при резании, форму стружки, износ режущего инструмента и другие явления, происходящие при резании металлов. Поэтому излучение процесса образования стружки и позна­ние закономерностей явлений, которые сопровождают этот процесс, имеют первостепенное значение и являются одной из важных задач науки о резании материалов. Огромные успехи, достигнутые в области совершенствования процес­са резания металлов (скоростное резание, резание на увеличенных подачах и т.д.), а так­же разработка наиболее рациональ­ных конструкций режущего инст­румента стали возможными только в результате глубокого изучения процесса стружкообразования.

Наклеп металла. В процессе реза­ния пластическая деформация про­исходит не только в срезаемом слое, но и в поверхностном слое основной массы металла.

Рис 1.8. Зона распространения пластической деформации.

Деформирование вызывает изменение физических свойств металла: повышает его твердость, снижает относительное удлинение и ударную вязкость. Зона упрочнения при ре­зании показана на рисунке 1.8. Наибольшее упрочнение получает металл стружки. Твердость стружки может стать выше твердости обрабатываемого материала в 1,5...4 раза.

Степень упрочнения и глубина наклепанного слоя детали зависят также от на­чальных свойств обрабатываемого материала, геометрии и остроты режущего инструмента, режима резания, примене­ния смазочно-охлаждающей жидкости. Пластичные метал­лы более склонны к упрочнению, чем менее пластичные. Увеличение подачи и глубины резания увеличивает наклеп. Увеличение скорости резания и применение смазочно-охлаждающих жидкостей способ­ствуют уменьшению наклепа.

Усадка стружки. В резуль­тате пластической деформации обрабатываемого материала в зоне резания длина стружки l₁ получается меньше длины l, пройденной резцом (рис. 1.9).

Рис.1.9. Схема усадки стружки.

Усадка стружки зависит от режимов резания, геометри­ческих параметров инструмента и физико-механических свойств обрабатываемого материала. С увеличением перед­него угла γ(или уменьшением угла резания δ) усадка струж­ки уменьшается, что объясняется уменьшением деформации при срезании стружки. С увеличением скорости резания усадка стружки сначала уменьшается, достигает минимума, затем возрастает, проходит через максимум и при дальней­шем повышении скорости резания вновь уменьшается. Та­кой характер изменения кривой усадки в зависимости от скорости резания связан с изменением коэффициента тре­ния между передней поверхностью резца и сходящей струж­кой.

С увеличением толщины среза (подачи) при сохранении неизменными всех других условий усадка стружки умень­шается. Изменение ширины среза (глубины резания) незна­чительно влияет на усадку стружки. При обработке более пластичных материалов усадка стружки возрастает. Усад­ку стружки можно рассматривать как интегральное выра­жение степени пластических деформаций при резании ме­таллов.

Нарост. При некоторых усло­виях на переднюю поверхность резца около режущей кромки на­липает обрабатываемый материал, образуя так называемый нарост. Причинами образования нароста служат два основных фактора: на­личие весьма высоких давлений около режущей кромки, доходя­щих при резании сталей до 8...10 ГПа, и наличие около режущей. кромки небольшой зоны нулевых скоростей.

Рис. 1.10. Нарост на резце

Вблизи точки А (рис. 1.10) поток материала раздвигается: часть уходит в стружку, а часть металла образует заготовку; при этом на режущей кромке возникает зона нулевых ско­ростей, т. е. «застойная зона». Вследствие высоких давлений в зоне резания и наличия значительных деформаций твер­дость нароста становится в 2...3 раза больше твердости обрабатываемого металла. В результате образовавшийся нарост сам начинает производить резание металла, являясь как бы продолжением резца.

На размеры нароста оказывают влияние многие факто­ры: физико-механические свойства обрабатываемого метал­ла, режимы резания, геометрические параметры инстру­мента, наличие и состав смазочно-охлаждающей жидкости. С увеличением пластичности обрабатываемого металла размеры нароста возрастают. Наоборот, при обработке за­готовок из хрупких металлов, например из чугуна, нарост может и вовсе не образоваться.

С изменением скорости резания изменяются и размеры нароста. При малых скоростях (2...5 м/мин) нарост не образуется. В интервале скоростей резания 10...20 м/мин (для стали) нарост значителен. Эта зона, скоростей самая неблагоприятная в отношении получения малой шерохова­тости поверхности. При скоростях резания свыше 20 м/мин высота нароста уменьшается по мере дальнейшего увели­чения скорости резания. Это объясняется тем, что темпера­тура в зоне резания возрастает и надрезцовый слой сходя­щей стружки размягчается, что приводит к уменьшению коэффициента трения и ухудшению условий для удержания нароста на передней поверхности.

С увеличением подачи (толщины срезаемого слоя) разме­ры нароста увеличиваются. Поэтому при чистовой токар­ной обработке рекомендуются подачи в пределах 0,1...0,2 мм/об. Глубина резания существенного влияния на размеры нароста не оказывает. С увеличением угла резания δ увеличивается зона деформированного материала и, следовательно, увеличивается нарост. Применение смазочно-охлаждающей жидкости уменьшает нарост. При прерывистом резании (фрезеровании, строгании) нарост на режущей кромке инструмента обычно не удержива­ется.