Что такое нарост, объясните условия его появления, параметры, влияние нароста на характеристики и параметры резания?

Резанию большинства конструкционных материалов сопутствует явление, называемое наростообразованием.

Под наростом понимают клиновидное, более или менее неподвижное образование из материала обрабатываемой заготовки, расположенного на передней поверхности лезвия (рис. 2.8). Его твердость в 2,5...3,0 раж превосходит твердость обрабатываемого материала.

Образование нароста становится возможным вследствие проявления в зоне резания следующих факторов:

— контакта ювенильных (химически чистых) поверхностей стружки передней поверхности лезвия;

— интенсивного трения, приводящего к мощному тепловыделению и резкому повышению температуры в зоне резания;

— высоких давлений, сближающих контактируемые поверхности до проявления сил межмолекулярного и межатомного взаимодействия.

В результате начинают проявлять­ся адгезионные силы и появляется за­торможенный слой 1 из материала заго­товки на передней поверхности лезвия. Этот слой является своеобразным фун­даментом для увеличения нароста, так как последующие слои 2 и 3 только увеличивают его толщину.

Нарост при­нимает клиновидную форму. Высо­та нароста растет до тех пор, пока его прочность является достаточной для восприятия нагрузки со стороны струж­ки, после чего нарост разрушается. Раз­рушение происходит до определенной высоты. Часть разрушенного нароста уносится стружкой, а часть - обработанной поверхностью. После разруше­ния нарост вновь формируется до предельной для конкретных условий ре­зания высоты, опять разрушается и т. д. Этот процесс динамичен, а частота циклов «рост-разрушение» может достигнуть нескольких тысяч в минуту.

При прерывистом резании и образовании элементной стружки на­рост образуется и уносится стружкой. При сливном стружкообразованин нарост прочно удерживается на передней поверхности даже после прекра­щения процесса резания.

Нарост характеризуется следующими параметрами: высотой Н. ве­личиной подошвы С, значением переднего угла у„, величиной проникнове­ния в обработанную поверхность Δа.

Возникновение нароста изменяет условия работы лезвия, играя как положительную, так и отрицательную роль, а именно:

— увеличение переднего угла γ_н > γ приводит к заострению лезвия, уменьшению степени деформации срезаемого слоя и снижению сил со­противления движению инструмента;

— перемещаясь по наросту, стружка не изнашивает поверхности лезвия, так как нарост защищает ее;

—в то же время возникновение нароста приводит к резкому увеличению шероховатости;

— увеличение лезвия на величину Δа приводит к увеличению по­грешности обработанной поверхности на эту же величину;

— остатки разрушенного нароста присутствуют в обработанной по­верхности;

— динамичность нароста - дополнительный источник вибраций в системе «заготовка-инструмент-приспособление-станок».

Отмеченные параметры нароста могут быть использованы примени­тельно к конкретным условиям черновой, получистовой или чистовой об­работки.

На параметры нароста основное влияние оказывают следующие группы факторов.

Первая группа - обрабатываемый материал и его механические свой­ства. Все материалы принято разделять на не склонные к наростообразованию (латунь, бронза, большинство титановых сплавов, белый чугун, за­каленные стали, легированные стали с большим содержанием хрома и никеля) и склонные к наростообразованию (конструкционные углероди­стые и большинство легированных сталей, серый чугун, алюминий, силу­мины). Как правило, уменьшение твердости и повышение пластичности обрабатываемого материала увеличивают высоту нароста.

Вторая группа факторов, влияющих на образование нароста, - это элементы режима резания. Наиболее сложным образом на высоту нароста Н влияет скорость резания V(рис. 2.9).

При увеличении скорости до значения V₁ нарост не образуется. По­следующее увеличение скорости приводит к возникновению нароста, его увеличению с достижением максимального значения, после чего начинает­ся его деградация. При после­дующем увеличении скорости на­рост не появляется.

Изменение переднего угла повторяет характер изменения на­роста.

Третья группа факторов, влияющих на высоту нароста, — геометрические параметры лез­вия, прежде всего передний угол лезвия у. С увеличением передне­го угла высота нароста уменьша­ется, а при значениях γ > 40...45° с увеличением скорости нарост вообще не образуется (рис. 2.10).

Четвертая группа - это факторы влияния окружающей среды и применения смазочно- охлаждающей жидкости. Среда может полностью исключить об­разование нароста или сущест­венно затормозить его развитие.

Таким образом, в зависимости от природы обрабатываемого мате­риала резание может протекать с наростообразованием - явлением, кото­рое существенно влияет на геометрию резания, процессы деформирования,размеры срезаемого слоя и другие характеристики.

13. Как изменяется форма стружки по сравнению со срезаемым слоем, дайте понятия коэффициентов К_L, К_a, К_b и коэффициента сплошности стружки К_τ?

Превращаясь в стружку, элементы срезаемого слоя изменяют свои размеры. Примем допущение, что срезанный объем материала заготовки равен объему полученной стружки:

V=V_c (3.19)

Где V_c - объем элемента стружки. Запишем составляющие выражения (3.19) через параметры срезаемого слоя:

V=fΔL=abΔL (3.20)

Где f сечение срезаемого слоя; ΔL - элементарное перемещение лезвия (за один оборот заготовки). Следовательно,

V=f_cΔL_c=a_cb_cΔL_c (3.21)

Подставим в формулу (3.19) выражения (3.20) и (3.21):

abΔL= a_cb_cΔL_c (3.22)

и преобразуем:

ΔL/ΔL_c=(a_c/a)(b_c/b) (3.23)

Введем обозначения для сомножителей в правой части выражения (3.23):

а_с/а = K_a- коэффициент утолщения стружки, b_c/b=К_b- коэф­фициент уширения стружки.

Окончательно представим (3.22) в виде

K_L= K_aК_b (3.24)

При сливном стружкообразовании уширение невелико и составляет 5...15 % от ширины срезаемого слоя. Поэтому уширением стружки можно пренебречь и считать К_b=1, тогда выражение (3.24) имеет вид K_L= K_a.

Если на свободной стороне стружки появляются достаточно большие выступы и впадины, а стружка приближается к суставчатой, то то­гда вводится поправка. Объем пус­тоты в элементе стружки тпn₁ представляющей в сечении тре­угольник (рис. 3.2), можно пред­ставить как

V_n=1/2(hb_cΔL_c) (3.25)

где h = τа_с - глубина впадины, ко­торая составляет τ часть от толщи­ны стружки а_с.

Запишем выражение (3.22) с учетом (3.23):

abΔL= a_cb_cΔL_c-1/2(τa_c a_cb_cΔL_c) (3.26)

Упростим выражение (3.26):

abΔL= a_cb_cΔL_c(1-1/2(τ)) (3.27)

где (1-1/2(τ))=К_τ — коэффициент сплошности стружки.

Тогда после введения обозначений и принимая во внимание (3.24), получим

К_L=К_а·К_ь·К_х. (3.28)

Если принять К_b=1, то в окончательном виде выражение для коэф­фициента укорочения стружки с учетом появившейся несплошности будет

К_L=К_а·К_х.

K_a- коэффициент утолщения стружки- Отношение толщины стружки к толщине срезаемого слоя

К_b- коэф­фициент уширения стружки- Отношение ширины стружки к ши­рине срезаемого слоя

К_τ — коэффициент сплошности стружки

K_L - коэффициент удлинения стружки - Отношение длины срезаемого слоя к длине стружки

Для определения коэффициента укорочения стружки существуют способа: измерение длины стружки и весовой.

Учитывая важную роль коэффициента укорочения (он входит в фор­мулы для оценки относительной деформации стружки), необходимо оце­нить влияние на него различных факторов, которые можно объединить, как в гл.2 в четыре группы.

Первая группа факторов - обрабатываемый материал и его механи­ческие свойства - влияет двояко:

- во-первых, это влияние связано с появлением и развитием нарос­та по кривой 2 (рис. 3.3), что определенным образом отражается и на кри­вой 1 в диапазоне скоростей от V₁ до V₂. Кривая 3 характерна для материа­лов, не склонных к наростообразованию;

- во-вторых, коэффициент K_L связан со склонностью обрабатывае­мого материала к образованию пилообразности на свободной поверхности стружки и нарушению ее сплошности. Так как коэффициент сплошности всегда меньше 1 (К_τ < 1), то при пилообразной стружке K_L < К_а, а иногда даже и K_L < 1. Такой случай в практике называют отрицательной усадкой стружки. Например, для титанового сплава ВТЗ коэффициент укорочения стружки имеет зна­чения K_L = 0,75...0,90. В этом случае за счет пустот стружка удлиняется и ее движение по передней поверхности лезвия ускоряется.

Вторая группа факторов - режим резания. Влияние скоро­сти резания на коэффициент K_L наглядно продемонстрировано на графиках (см. рис. 3.3) для материалов, склонных и не склонных к наростообразованию.

Третья группа факторов - геометрические параметры ре­зания. Наибольшее влияние на коэффициент K_L оказывает пе­редний угол (рис. 3.4). С увели­чением переднего угла лезвия, т. е. заострением инструмента, кривая становится более поло­гой. При углах γ > 30° увеличе­ние скорости резания на коэф­фициент укорочения стружки практически не влияет.

Четвертая группа факторов - факторы окружающей среды и при­менение СОЖ, которые, в первую очередь могут влиять на K_L через наростообразование и изменение контактных, тепловых и деформационных процессов в зоне резания.

Таким образом, срезаемый слой при превращении в стружку под влиянием различного рода факторов испытывает сложные объемные превращения, которые количественно оцениваются комплексом коэффициентов

14. Какова структура формул для определения составляющих силы резания?

Образование стружки представляет собой установившийся процесс пластического течения. При обтекании режущего клина одна часть дефор­мированного материала перемещается по передней поверхности, превра­щаясь в стружку, а другая часть движется ниже плоскости резания по зад­ней поверхности, которая формирует поверхностный слой детали.

В деформированном объеме выделяется несколько зон, обладающих различными характеристиками напряженно-деформированного состояния материала (рис. 4.2):

— эпюра нормальных напряжений | непрерывна для площадок пе­редней С и задней А поверхностей режущего клина инструмента, а эпюры касательных напряжений на этих площадках отдельные;

—нормальные контактные напряжения имеют наибольшую величину у кромки лезвия, монотонно убывая до нуля по мере удаления от _Нее в обе стороны по передней и задней поверхностям;

—эпюры касательных контактных напряжений имеют экстремальный характер с нулевым значением на режущей кромке, достижением максимума и последующим убыванием кривых по мере удаления от кромки лезвия.

Суммируя в пределах площадки контакта нормальные контактные напряжения, получим среднюю нормальную силу N, приведенную к рас­сматриваемой точке на кромке и направленную перпендикулярно передней поверхности (рис. 4.3). Сложив контактные касательные напряжения, по­лучим среднюю силу трения F, которую приложим к рассматриваемой точке O на кромке лезвия. Сумма нормальной силы N и силы трения F оп­ределит силу стружкообразования P, которая направлена под углом дейст­вия со к плоскости резания (рис. 4.4). Отношение силы трения к нормаль­ной силе покажет коэффициент трения f=F/N.

Практический интерес представляет определение силы стружкообра­зования через составляющие, направленные вдоль и перпендикулярно единственной условной плоскости сдвига, т. е. силами Р_σ и Р_τ. Силу Р_σ называют силой сжатия сдвигаемого слоя, а Р_τ-силой сдвига.

Если рассматривать элементар­ный объем материала на единствен­ной условной плоскости, то сдвиг на­чинается тогда, когда напряжения сдвига τ превысят предел текучести τ > τ_s Считается, что

τ=P_τ/(OM·b) (4.1)

где P_τ - _СИла сдвига; ОМ - длина плоскости сдвига; b - ширина срезаемого слоя. Величину ОМ можно определить как

ОМ=a/sinβ (4.2)

а силу сдвига - как

P_τ = Rcos(ω+β) (4.3)

Тогда после подстановки выражений (4.2) и (4.3) в (4.1) имеем

τ=[Rcos(ω+β)sinβ]/ab (4.4)

Представленные ниже эпюры (рис. 4.5) показывают, что касательные напряжения вдоль единственной условной плоскости сдвига постоянны, а их абсолютная величина зависит от механических свойств обрабатываемо­го материала.

Характер распределения нормальных напряжений су более сложен. Верхняя эпюра напряжений характерна для материалов, не склонных к на- ростообразованию. Нижняя эпюра, достаточно сложная по своему харак­теру, используется в случае, когда образование нароста играет значитель­ную роль.

Кроме представленных выше двух систем сил: Nи F, а также P_τ и Р_σ, сумма которых определяет силу стружкообразования, принята еще одна система, которая нашла наибольшее применение – Р_x, Р_у и Р_z (рис. 4.6): на­правление составляющей Р_z совпадает с направлением вектора скорости движения резания; направление составляющей Р_у, как правило, определя­ется базовым геометрическим параметром инструмента (в данном случае - вдоль наибольшей стороны тела резца); направление составляющей Р_х сов­падает с направлением движения продольной подачи.

Эти составляющие имеют следующие названия: Р_г - главная состав- ляюгцая силы резания; Р_у - радиальная составляющая силы резания; Р_х _ осевая составляющая силы резания.

Если известны силы Р_х, Р_у и Р₂, то сила резания может быть вычис­лена по формуле

Составляющие силы резания определяются экспериментально с по­мощью специальных динамометрических устройств. По количеству опре­деляемых составляющих силы резания различают одно-, двух- и трехком- понентные динамометры. По принципу действия датчиков силоизмери- тельного устройства динамометры могут быть упруго-механическими, гидравлическими, упруго-электрическими.

Таким образом, в зоне резания образуется сложное напряженное со­стояние, которое может быть представлено различными системами сил.