Характеристики пластической деформации при резании

Мерой деформации простого сдвига является относительный сдвиг. Оп­ределим эту характеристику для условий стружкообразования (рис. 8.5).

Величина абсолютного сдвига Ds=mp+pq. Выразим отрезки mp и pq че­рез толщину Dх :

mp=Dх ctgb (8.4)

pq=Dх ctgd=ctg[90°-(b-g)]=Dx tg(b-g) . (8.5)

Тогда Ds=Dх[сtgb +tg(b-g)]. (8.6)

Так как e=Ds/Dх, то выражение для определения относительного сдвига принимает вид

e=ctgb+tg(b-g) . (8.7)

Рис. 8.5. Схема для определения относительного сдвига при резании – Модель Тиме.

Величину угла сдвига b можно определить по длине стружки, при пе­ремещении инструмента на расстояние DL длина образовавшейся стружки будет равна DL_C.

Отношение DL/DL_С=К₁ называется коэффициентом усадки стружки. Выра­зим угол сдвига через коэффициент усадки стружки

(8.8)

Связь между коэффициентом усадки стружки и относительным сдвигом выражается формулой

(8.9)

Угол сдвига, относительный сдвиг и коэффициент усадки стружки являются характеристиками пластической деформации при резании. При известном значении переднего угла g и экспериментально установленном значении К_l можно рассчитать значение угла сдвига и относительный сдвиг.

Коэффициент усадки стружки измеряется по отношению длины пути инструмента L (рис. 8.6) к длине стружки L_С, либо по отношению толщины стружки а_С к толщине среза а. Изменение ширины стружки b_С по сравнению с шириной среза b, вызванное наличием некоторой деформации сжатия, незначительно, поэтому этим изменением обычно пренебрегают. Тогда

(8.10)

Рис. 8.6. Размеры срезаемого слоя и стружки

Если невозможно в опытах получить кусочки стружки достаточно боль­шой длины, применяется так называемый весовой метод с использованием кусочков L_C=10-20 мм. Bес стружки G в мг равен

(8.11)

где r - плотность обрабатываемого материала в г/см³. Коэффициент усадки стружки

(8.12)

Коэффициент усадки стружки не является количественным показателем степени деформированности срезаемого слоя. На его величину в значи­тельной мере влияет передний угол инструмента, наличие гребешков на свободной поверхности стружки и неравномерность ее деформации по тол­щине. При резании некоторых материалов K_l£1, однако, это не значит, что деформация стружки отсутствует, поскольку при этих условиях e¹0. Тем не менее коэффициент усадки стружки позволяет качественно оценить раз­ные условия резания с точки зрения действующих сил, энергонапряженнос­ти процесса, температуры и т.д. Коэффициент усадки стружки при резании пластичных материалов больше, чем при резании хрупких. С увеличением переднего угла инструмента, толщины среза и скорости резания коэффици­ент усадки стружки уменьшается, а от ширины среза он практически не зависит. При использовании СОЖ, снижающей трение между стружкой и инс­трументом, коэффициент усадки стружки уменьшается.

Скорость v_t, с которой осуществляется сдвиг по условной плоскости сдвига, можно получить путем разложения вектора скорости резания v на вектор v_t и вектор скорости трения, равной по величине скорости стружки v_c (рис. 8. 7).

Скорость сдвига

(8.13)

Определим скорость стружки

(8.14)

Рис.8.7. Схема для определения скоростей сдвига, и стружки

Отсюда

(8.15)

т.е. скорость стружки меньше скорости резания и увеличивается с уменьшением коэффициента усадки стружки.

4. Процесс образования элементной стружки

Элементная стружка образуется при резании пластичных материалов с большими сечениями среза на сравнительно низких скоростях. Эксперимен­тально установлено, что в процессе элементного стружкообразования име­ют место значительные напряжения сжатия, вызывающие боковое течение материала. Схема процесса образования элементной стружки показана на рис.8.8.

Рис. 8.8. Схема превращения срезаемого слоя в элементную стружку

При перемещении инструмента на расстояние DL его передняя поверх­ность воздействует на некоторый объем срезаемого слоя, ограниченный параллелограммом m₀mnn₀. Когда напряжения сжатия превзойдут предел те­кучести обрабатываемого материала, начнется его течение вдоль передней поверхности инструмента и точка m окажется не в точке k, куда она по­падает при образовании сливной стружки, а в точке q. Одновременно про­исходит укорочение стороны m₀n₀ параллелограмма до qp. В результате этого параллелограмм m₀mnn₀ срезаемого слоя превращается в элемент стружки mnpq. Когда запас пластичности обрабатываемого материала будет исчерпан, происходит разрушение по плоскости скалывания mn, и сколотый элемент перемещается вверх по передней поверхности. Чем больше степень деформации срезаемого слоя, тем больше отличаются по длине стороны трапеции mn и pq и тем больше форма элементной стружки приближается к треугольной.

Аналогичным образом протекает процесс стружкообразования при обра­ботке титановых сплавов, отличающихся низкой теплопроводностью. В этом случае внутри сегментов деформация сдвига практически отсутствует, а на границах сегментов наблюдаются тонкие слои с чрезвычайно высокой степенью деформации. Этот процесс получил название адиабатического сдвига, поскольку он происходит при почти полном отсутствии передачи тепла.

5. Процесс образования нароста

При обработке многих конструкционных материалов (сталей, алюминия и др.) наблюдается явление, называемое наростообразованием. Внешне нарост проявляется в виде клиновидной зоны упрочненного об рабатываемого материала, формирующейся в окрестности вершины инструмента (рис .8.9). Эта зона своим основанием прочно скреплена с передней поверхностью инструмента и нависает над его задней поверхностью. Установлено, что нарост имеет сложное строение, а его твердость в 2,5 - 3 раза пре­вышает твердость обрабатываемого материала. Процесс образования нароста протекает по следующей схеме. При наличии высоких контактных напря­жений происходит затормаживание и адгезионное схватывание прирезцовой стороны образующейся стружки на передней поверхности. Обрабатываемый материал течет по заторможенному слою, толщина которого постепенно увеличивается. Доступ воздуха в зону резания приводит к образованию окисных пленок, уменьшающих адгезию, поэтому наиболее интенсивно уве­личение нароста происходит у вершины, где доступ воздуха затруднен. Форма и размеры нароста характеризуются его высотой Н шириной подошвы 1 и углом g_ф. Высота нароста нестабильна, с течением времени происхо­дят срывы отдельных слоев, что можно наблюдать на прирезцовой стороне стружки и на обработанной поверхности. Имея клиновидную форму и высо­кую твердость, нарост играет роль режущей кромки, фактическая геомет­рия которой определяется его размерами и формой. Нависание нароста приводит к изменению фактической толщины среза на величину Dа, а нес­табильность его размеров вызывает колебания силы резания и ухудшение обработанной поверхности. Тем не менее, при черновых операциях нарост играет положительную роль, поскольку защищает режущую кромку инстру­мента от изнашивания. При обработке углеродистых сталей интенсивное наростообразование наблюдается в диапазоне скоростей резания 15-30 м/мин, что соответствует температуре » 300°С.

Рис. 8.10. Влияние скорости резания на высоту нароста Н, фактичес­кий передний угол g_Ф, температуру резания Т°, коэффи­циент усадки стружки K₁ и силу резания Р_z.

При увеличении скорости резания в диапазоне v₁-v₂ происходит уве­личение температуры резания, сопровождаемое увеличением высоты нароста Н, и соответственно, увеличением фактического переднего угла. В связи с этим уменьшается коэффициент усадки стружки и сила резания. С даль­нейшим увеличением скорости резания в диапазоне v₂-v₃ рост температуры приводит к снижению прочности на сдвиг материала нароста. Его высота и фактический передний угол уменьшаются, что вызывает увеличение коэффи­циента, усадки стружки и силы резания. При увеличении скорости резания выше v₃, соответствующей »600°С, нарост исчезает. Уменьшение коэффици­ента усадки стружки и силы резания в этом диапазоне скоростей обуслов­лено влиянием температуры. У материалов, не склонных к наростообразованию (медные и титановые сплавы, закаленные стали) снижение коэффици­ента усадки стружки с увеличением скорости резания происходит монотон­но (кривая К_l*, P_z* на рис.8.10).

Процесс стружкообразования при резании определяется напряженно-де­формированным состоянием зоны стружкообразования, которое в свою оче­редь, зависит от геометрии инструмента, режимов резания и физико-механических свойств обрабатываемого и инструментального материалов. Соп­ротивление обрабатываемого материала процессу образования стружки обуславливает определенные значения напряжений и сил, действующих на контактные поверхности режущего инструмента. Работа, совершаемая этими силами, определяет мощность, затрачиваемую станком на превращение за­данного припуска в стружку, а также количество тепла, выделяющегося при этом в зоне резания.

Библиографический список

1. Аршинов В.А., Алексеев Г.А. Резание металлов и режущий инс­трумент. - М.: Машиностроение, 1976. - 440 с.

2. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. - М.: Машиностроение, 1993. - 335 с.

3. Грановский Г.Г., Грановский В.Г. Резание металлов. Учебник для машиностроительных и приборостроительных специальностей вузов. - М.: Высш.шк., 1985. - 304 с.

4. Мастеров В.А., Берковский B.C. Теория пластической деформации
и обработка металлов давлением. - М.: Металлургия, 1989. - 409 с.

5. Маталин А. А. Технология машиностроения. - Л.: Машиностроение, 1985. - 496 с.

6. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки. /Под ред. В.А. Волосатова. - Л.: Машиностроение, 1988. - 719 с.

7. Федоров В.Л. Физические основы обработки металлов резанием. - М.: УДН, 1987. - 78 с.

8. Фёдоров В.Л. Основы выбора рациональных условий обработки реза­нием. - М.: УДН, 1984. - 48 с.

9. Шустиков А.Д., Федоров В.Л. Инструментальные материалы. - М.: УДН, 1982. - 64 с.

10. Шустиков А.Д., Федоров В.Л. Инструментальные стали. - М.: УДК, 1982. - 80с.