Лабораторная работа № 3

Влияние режимов резания при точении на пластическую

Деформацию срезаемого слоя.

Цель работы:

Закрепить теоретический материал по теме «Физика процесса резания». Познакомиться с практическими методами измерения деформаций при резании металлов. Изучить влияние параметров режимов резания на деформацию в срезаемом слое металла.

Студент должен знать:

· устройство токарно-винторезного станка

· назначение основных узлов и приемы работы на станке

· методы графического изображения результатов эксперимента.

Студент должен уметь:

· выполнять простые работы на станке

· строить графические зависимости по результатам эксперимента

· делать обобщающие выводы.

Общие сведения

Резание- процесс, связанный с удалением с заготовки слоя материала в виде стружки с целью получения необходимой формы, размеров и качества обработанной поверхности заготовки. Как известно, процесс резания представляет собой пластическое деформирование, т. е сопровождается необратимыми изменениями формы, размеров и свойств удаляемого материала.

Особенности холодного пластического деформирования в процессе резания заключаются в том, что деформация доводится до разрушения заготовки, она протекает при больших скоростях и сопровождается физическими явлениями, которые оказывают влияние на условия работы инструмента и качество обрабатываемой поверхности.

Наибольшее изменение свойств имеет отделяемый материал-стружка. Поэтому, процесс образования стружки представляет большой практический интерес.

Основная масса обрабатываемых материалов - это металлы, которые относятся к поликристаллическим веществам. Для определения механических свойств обрабатываемого материала проводится его испытание в лабораторных условиях на растяжение, изгиб, кручение, твердость, ударную вязкость и т. д..

На рисунке 3.1 приводится типовая диаграмма напряжений для пластичного металла, по которой можно судить о его свойствах и, в частности, о тех напряжениях, которые необходимо вызвать в материале под действием внешних сил для осуществления определенной деформации.

Рисунок 3.1 Диаграмма растяжений

σ_в-временное сопротивление разрыву; σm-предел текучести материала; σ_у-предел упругости материала; σ-напряжение при растяжении; P-сила растяжения материала; ℓ_у- элементарные растяжения при упругих деформациях; ℓ_m-тоже при напряжении упругости; ℓ_в-растяжение при действии временного сопротивления разрыву

Поликристалл состоит из отдельных зерен (рисунок 3.2,а). Каждое зерно состоит из плотноупакованных атомных ячеек, макет которой изображает объемную кристаллографическую решетку, в узлах которых сосредоточены атомы (рисунок 3.2,б).

Если к поликристаллу приложить внешнее усилие Р (рисунок 3.2,а), то по кристаллографическим плоскостям возникнут внутренние напряжения. В случае если эти напряжения не превышают внутренние силы межатомных связей (при снятии внешнего усилия) напряжения снимутся. Изменения линейных и объемных размеров кристаллической решетки также снимутся, и поликристалл возвратится в исходное состояние. Это соответствует участку кривой растяжения (0-G_у) рисунок 3.1 – упругой деформации.

Если под действием внешней силы возникшие внутренние напряжения превышают силы межатомных связей, то произойдет необратимое изменение формы и размеров поликристалла начнется пластическая деформация – металл начнет «течь» (участок G_у- G_m) риcунок 3.1.

Процесс пластической деформации связан со смещением в кристаллографической решетке одних ее участков относительно других по так называемым кристаллографическим плоскостям (по плоскости в которой сосредоточено минимальное количество атомов (рисунок 3.2,б,в) и, в первую очередь, у тех кристаллов, у которых кристаллографические плоскости наиболее благоприятно расположены к линии действия внешней силы Р (под углом 45º). Следовательно, процесс деформирования вначале охватывает не все зерна.

В результате сдвигов по кристаллографическим плоскостям происходит их изменение, на них появляются «плоскости скольжения» из осколков разрушения, которые приводят к повышению сопротивления деформации до тех пор, пока его сопротивление не вызовет необходимости приложения все более возрастающего усилия, при котором могут деформироваться другие зерна, у которых кристаллографические плоскости были расположены менее благоприятно по отношению к линии действия внешней силы.

Рисунок 3.2 - Схема кристаллографичческих связей зёрен при деформации металла. а) – зёренная связь; б) – объёмно центрированная ; в) – гранецентрированная;

Кроме того, при деформации зерен происходит поворот кристаллографических плоскостей и взаимодействия между зернами, что также вызывает возрастание сопротивления деформированию (рисунок 3.3). В результате, объем поликристалла охватывается пластической деформацией.

Все указанные факторы приводят к интенсивному повышению сопротивления пластическому деформированию (рисунок 3.1, участок G_m-G_p) - так называемому явлению упрочнения металла (наклепу), которое приводит к повышению твердости металла и к снижению его пластических свойств. Ориентировка плоскостей скольжения у зерен поликристалла в определенном направлении по отношению линии действия внешних сил приводит к образованию направленной структуры – появлению текстуры (рисунок 3.3), а это приводит к анизотропии свойств металла.

Все описанные явления имеют место при резании. На рисунке 3.4 показана принципиальная схема распространения зоны деформации при свободном резании. В зоне действия пластических деформаций изменя­ются физико-механические свойства металла.

Режущий клин инструмента через площадку контакта шириной С действует на срезаемый слой толщиной а. Сосредоточенная сила R.,с которой передняя по­верхность инструмента давит на срезаемый слой, получила название силы стружкообразования. Линией OR обозначена нейтральная линия, разграничи­вающая области сжимающих и растягивающих напряжений в обрабатываемом материале ниже поверхности резания. Левее нейтральной линии расположена область сжимающих напряжений, а правее - растягивающих.

Перед передней поверхностью инструмента расположена зона I первичной деформации. Зона ОАВСО первичной деформации имеет форму клина с верши­ной на лезвии инструмента. Её нижняя граница OA вогнута и пересекает продо­лжение поверхности резания. Верхняя граница ОБ зоны выпукла и ее длина в 2...4 раза меньше длины линии OA. Линия АВ плавно сопрягает предыдущую поверхность резания со свободной стороной стружки. Левее линии OA находят­ся еще недеформированные зерна материала срезаемого слоя, а правее линии ОБ - зерна материала, принадлежащие стружке. Зерно срезаемого слоя, пе­ремещающееся относительно инструмента со скоростью резания V, начинает деформироваться в точке F и. проходя по траектории своего движения, получает всё большую степень деформации. Деформация зерна заканчивается в точке О, где зерно приобретает скорость V_с , равную скорости стружки.

Рисунок 3.4 . Зоны первичной и вторичной деформации при превращении срезаемого слоя в стружку

Если бы между передней поверхностью инструмента и контактной поверхно­стью стружки отсутствовало трение, то на этом деформирование зерен срезаемого слоя закончилось. Так как между указанными поверхностями всегда имеется трение, то зерна материала, находящиеся в непосредственной близости от кон­тактной поверхности стружки, продолжают деформироваться и после выхода их из зоны первичной деформации. Так возникает зона II вторичной деформации, ограниченная передней поверхностью и линией CD. Ширина OD зоны вторич­ной деформации приблизительно равна половине ширины площадки контакта С/2, а максимальная высота Д₁ в среднем составляет 0.1 толщины а_с стружки. Как показал Н.Н. Зорев. зерна срезаемого слоя, проходя через зону вторичной де­формации, деформируются исключительно сильно: степень деформации в зоне II может в 20 раз и более превышать среднюю деформацию стружки. Наличие зоны вторичной деформации приводит к неоднородности конечной деформации стружки по ее толщине. На большей части толщины стружки степень деформа­ции зерен одинакова, а в слое толщиной Д₁ наблюдается резкое увеличение сте­пени деформации. Размеры зоны вторичной деформации и степень деформации зерен материала в этой зоне определяются интенсивностью трения на передней поверхности. Чем меньше сила трения на передней поверхности, тем меньше размеры зоны вторичной деформации и интенсивность деформации. При умень­шении толщины срезаемого слоя, увеличении переднего угла и применении хорошо смазывающих жидкостей размеры зоны II уменьшаются и она стано­вится исчезающее малой. В этом случае степень деформации зерен стружки по ее толщине практически одинакова. Внешним же выражением пластической деформации срезаемого слоя являет­ся усадка стружки, то есть изменение формы и размеров образующейся при ре­зании стружки по отношению к форме и размерам срезаемого слоя. Наиболее существенные изменения стружка претерпевает в продольном направлении и по толщине (стружка короче участка, с которого срезана, но толще срезаемого слоя).

По ширине стружки заметных изменений не происходит. В связи с этим практически различают продольную и поперечную (по толщине) усадки.

В зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого металла, геометрии инструмента, элементов режимов резания и некоторых других факто­ров степень пластической деформации при резании металлов бывает различной.

Характеристикой степени пластической деформации при резании металлов служит коэффициент усадки стружки. Различают коэффициент продольной усадки стружки K_l и коэффициент поперечной (по толщине) усадки стружки K_a

Коэффициентом продольной усадки стружки называется отношение длины пути 1₀ (рисунок 3.5), пройденного резцом, к длине снятой стружки L. Коэффициен­том усадки стружки по толщине, называется отношение толщины стружки а к толщине среза (срезаемого слоя) а₀.

Рисунок 3.5. Схема деформации срезаемого слоя.

Поскольку объем стружки равен объему срезаемого слоя, можно записать, что:

а₀^. в₀^.l₀ = а_стр^. в_стр^. l_стр,

в₀ = в_стр,

поэтому:

а_о^. l₀ = а_стр^. l_стр,

,

но есть коэффициент продольной усадки ,а

— коэффициент поперечной усадки .

Следовательно:

К_l = К_а = К.

Величина коэффициента усадки стружки зависит от свойств обрабатываемого материала, геометрии режущего лезвия инструмента, свойств внешней среды, в которой осуществляется резание, и других факторов. Из элементов режимов резания менее всего на усадку, величину коэффициента усадки, влияет глубина резания, сильнее – подача и наиболее сильно скорость резания: с увеличением скорости усадка уменьшается. При резании углеродистых сталей коэффициент усадки стружки находится в пределах 2 – 3. При резании трудно обрабатываемых материалов, таких как жаропрочные и титановые сплавы, коррозионностойкие стали и другие, иногда наблюдается «отрицательная» усадка, при которой толщина стружки меньше толщины срезаемого слоя.

С изменением усадки стружки изменяются сила резания, мощность, дефор­мация обрабатываемой поверхности и другие факторы. Следовательно, усадка стружки и величина зоны деформации в известной мере определяют характер и интенсивность протекания процесса обработки резанием. Поэтому изучение влияния различных факторов на величину деформации срезаемого слоя (практи­чески на коэффициент усадки стружки) позволяет сознательно подходить к управлению процессом резания и к решению задач, связанных с выбором режу­щего инструмента (материал и геометрические параметры) и оптимальных ре­жимов резания.