Деформации и напряжения при резании
| Рис. 4.1. Корень стружки |
Процесс деформации материала при резании достаточно сложен и не поддается строгому математическому описанию, поэтому важную роль играют экспериментальные методы.
Наиболее информативным считается метод сеток, суть которого состоит в том, что деформация материала изучается по картине искажения элементов делительной сетки, нанесенной тем или иным способом на образец.
На рис. 4.11 представлена фотография так называемого корня стружки, полученного мгновенным прерыванием процесса. Сетка, состоящая из системы окружностей диаметром около 500мкм, нанесена фотохимическим методом на образец из стали Ст 15, предварительно покрытый 10 микронным слоем цинка.
Анализ деформированного состояния зоны резания, выполненный с помощью метода сеток, позволяет представить картину деформаций следующим образом (рис. 4.12).
| Рис. 4.2. Картина деформации зоны резания |
Линия KL - нижняя граница зоны пластической деформации - отделяет область I, где пластические деформации отсутствуют и нанесенные на образец окружности не изменяют своей формы, от области пластических деформаций II. В этой зоне, если проследить за формоизменением окружности вдоль линии тока АВ, видно, что окружность монотонно деформируется в эллипс, причем полуось эллипса поворачивается. Деформация окружности достигает максимального значения и прекращается на верхней границе пластической области MN, выше которой (в зоне III) металл деформирован упруго. Слой стружки, контактирующий с резцом (зона IV), испытывает дополнительную, так называемую вторичную деформацию, обусловленную силами трения на передней грани инструмента. На сравнительно небольшом участке имеет место контакт между задней гранью инструмента и обработанной поверхностью; действующие здесь (зона V) силы трения вызывают дополнительную деформацию материала.
Трение стружки о переднюю поверхность инструмента определяет величину приконтактных деформаций и, в значительной мере, величину деформаций в основной зоне стружкообразования, интенсивность нагрузок на режущий инструмент и, в конечном счете, его работоспособность.
Сопоставление процесса трения при скольжении любых металлических тел с процессом трения при резании обнаруживает имеющиеся между ними различия, внешним признаком которых служит существенное превышение коэффициента трения при резании по сравнению с коэффициентом трения в условиях скольжения металлических поверхностей. Так, например, при резании стали 20Х без смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) при g=20°, a=0,15мм, V=0,2м/мин средний коэффициент трения составляет 0,73, при “обычном” скольжении »0,1.
К особенностям трения при резании в первую очередь следует отнести весьма высокую чистоту соприкасающихся поверхностей - только что “рожденной”, а следовательно, свободной от различных пленок, поверхности стружки и непрерывно очищаемой последней поверхности инструмента.
Кроме того, контактирование при резании осуществляется в условиях высоких (несколько десятков кгс/мм2) давлений и температур (до 1500°C).
Контакт трущихся поверхностей любых тел осуществляется по отдельным выступающим неровностям (рис. 4.13), которые под действием нагрузок упруго, а затем пластически деформируются, что влечет за собой сближение трущихся поверхностей и увеличение действительной площади контакта.
| Рис. 4.3. Поверхности трения |
Наряду с механическим взаимодействием (царапаньем) микровыступов, при достаточном сближении и чистоте контактируемых поверхностей возникают адгезионные физические связи, которые при движении одного из тел непрерывно образуются и разрушаются путем среза и отрыва.
Относительное значение каждой компоненты трения зависит от свойств контактирующих поверхностей и наличия на них каких-либо пленок. Разрушение поверхностных пленок, естественно, требует существенно меньших усилий, чем разрушение связи между чистыми материалами.
Несмотря на очень большое контактное давление, окружающая среда и СОЖ проникают на переднюю поверхность, вероятно, по капиллярным отверстиям, имеющимся вследствие “несплошности” контакта стружки и инструмента (рис. 4.13). Исключительно высокая химическая и поверхностная активность свежеобразованной прирезцовой поверхности стружки способствует мгновенной реакции материала стружки со средой, вследствие чего образуются пленки окислов, нитридов, гидридов, снижающие средний коэффициент трения.
| Рис. 4.4. Схема нароста |
При резании большинства конструкционных материалов в определенных условиях имеет место наростообразование. Под наростом понимают связанное с инструментом клинообразное тело, сформированное на передней поверхности из обрабатываемого материала (рис. 4.14).
Дополняя режущий клин, нарост изменяет его геометрию (действительный передний угол становится равным g¶) и тем самым влияет на процесс образования стружки. Многочисленные экспериментальные исследования, выполненные, в частности, с помощью высокочастотной киносъемки, позволили описать это явление.
Нарост имеет характерное слоистое строение, его твердость превосходит на 20...30% твердость стружки.
Нарост не стабилен во времени, он постоянно меняет свои размеры и форму. Наименее устойчивой является вершина нароста; она периодически разрушается и уносится стружкой либо подминается под заднюю грань и вдавливается в поверхность обрабатываемого изделия, поэтому характерным признаком наростообразования является низкое качество обработанной поверхности.
Несмотря на нестабильность размеров и формы нароста, его геометрию удается оценить, например, высотой Н и углом g¶ (рис. 4.14). Исследованиями показано, что эти параметры существенно зависят от температуры резания: так, при резании сталей, нарост возникает при температуре 200...250°C, достигает наибольшего значения при 300°C и при 600°C исчезает.
При черновой обработке, когда шероховатость поверхности не имеет важного значения, нарост допустим. Он увеличивает передний угол инструмента и тем самым снижает действующие силы, а также предохраняет инструмент от истирания. В этом смысле его роль положительна. Однако это относится только к инструментам из быстрорежущей стали. Твердосплавный инструмент в условиях наростообразования быстро изнашивается, т.к. твердый сплав плохо сопротивляется сопутствующим наростообразованию циклическим нагрузкам.
Изложенное позволяет предпринять меры “борьбы” с наростом: для того чтобы резание проходило без наростообразования, следует задать такие установочные параметры (скорость резания V - в первую очередь), чтобы температура в зоне резания была либо ниже 150°C, либо выше 600°C; ряд “чистовых” инструментов - развертки, протяжки, метчики работают на относительно низких скоростях - “до нароста”, для чистового точения требуются относительно высокие скорости для работы “за наростом”.
| Рис. 4.5. Напряжения и силы на передней грани резца |
Силы резания
При резании (рис. 4.15) инструмент силой воздействует на металл и испытывает реактивное воздействие со стороны образующейся стружки по передней грани на длине линии контакта С и по задней грани (при этом воздействие на радиус скругления режущей кромки условно относим к граням).
Нормальные s и касательные t напряжения на передней грани изменяются по х по определенному для условий резания закону. Нормальную N и касательную F силы, действующие на переднюю грань, можно представить как
, (4.1)
где b1 - ширина срезаемого слоя.
Аналогично, силы, действующие на заднюю грань инструмента, можно представить как F1 и N1, а равнодействующую всех сил, приложенных к инструменту или силу резания можно представить как векторную сумму . Сила действующая на передней грани, равна: Составляющие силы резания F, N, F1, N1, как и силы, отнесенные к условной плоскости сдвига FФ, NФ (рис. 4.16), принято называть физическими составляющими силы резания. Они используются для анализа влияния параметров процесса, свойств обрабатываемого материала, коэффициента трения, рабочих углов инструмента, в частности g, на “выходные” параметры процесса.
Для оценки точности обработки, выбора металлорежущего станка и решения других технологических задач используют технологические составляющие силы резания Px, Py и Pz. На рис. 4.16 показаны эти силы для случая продольного точения.
| Рис. 4.1. Схема сил действующая в зоне резания |
| Рис. 4.2. Технологические составляющие сил резания |
Технологический смысл каждой составляющей силы Px, Py и Pz - соответственно, осевой, радиальной и тангенциальной - определяется их направлением.
Сила Рz (главная составляющая силы резания) направлена параллельно вектору скорости резания; она определяет крутящий момент на шпинделе и, следовательно, мощность главного привода, и ее величина является исходной для расчета прочности элементов коробки скоростей станка.
Сила Рx нагружает механизм подач станка, а Рy создает упругие деформации системы; ее воздействие необходимо учитывать при расчете точности обработки. Очевидно, что .
Взаимосвязь физических и технологических составляющих для случая свободного прямоугольного резания вытекает из анализа сил на рис. 4.17. Cилами на задней грани в данном анализе пренебрегаем и учитываем, что . Так как элемент стружки, ограниченный следами плоскостей АО и ОВ находится при установившемся процессе в равновесии, то:
w=h-g, (4.2)
где - угол трения.
Величина составляющей силы резания Rz равна:
, (4.3)
где tФ - средние касательные напряжения в плоскости сдвига;
b - ширина среза.
К анализу влияния установочных параметров процесса резания (g, h и т.д.) удобно подойти с позиции гипотезы К. А. Зворыкина.
Согласно этой гипотезе, условная плоскость сдвига стремится занять такое положение, при котором затраты энергии на стружкообразование были бы минимальны. Поскольку последние пропорциональны главной составляющей силы резания Rz, математическая формулировка гипотезы может быть записана следующим образом:
<0. (4.4)
Минимум Rz будет при значениях Ф, при которых знаменатель в выражении (4.3) имеет максимальное значение:
<0. (4.5)
Отсюда после дифференцирования первого из выражений (4.4) следует:
.
Используя теорему косинусов, получаем:
следовательно,
. (4.6)
А т.к. из схемы на рис. 4.17 следует, что w=h-g, то
. (4.7)
Из второго выражения (4.4) следует: - sin(w+2Ф)<0.
Подставляя в последнее выражение зависимость (4.6), нетрудно убедиться, что оно выполняется при всех теоретически возможных углах w и, следовательно, найденное значение Ф (4.7) соответствует минимуму силы Рz.
Анализируя зависимость (4.6) и (4.7), можно заключить:
1. Любое изменение угла w, - поворот равнодействующей Р - вызывает поворот в ту же сторону условной плоскости сдвига (изменение Ф) и соответствующее изменение деформации металла и силы резания.
2. Изменение переднего угла g влечет за собой аналогичное изменение угла Ф.