Физико-механические и физико-химические аспекты процесса резания

Процесс образования стружки сопровождается двумя видами деформаций: сжатие определенного объема металла, непосредственно примыкающего к передней поверхности РИ, и его сдвиг. Для того, чтобы этот сдвиг произошел необходимо, чтобы напряжения на плоскости сдвига превышали предел текучести материала.

Рис. 5. Зоны деформаций при резании: зона OLM – зона основных пластических деформаций, образуется в результате сжатия металла (OL - начальная граница зоны стружкообразования, где частицы металла получают первую деформацию, OM – конечная граница зоны стружкообразования, здесь частицы металла получают наибольшую деформацию и имеют свойства, характерные для готовой стружки); зона OEF – зона дополнительных пластических деформаций, протяженность ее приближенно равна половине полной длины контакта стружки с передней поверхностью РИ – Сγ (причиной образования этой зоны являются процессы трения на передней поверхности РИ)

Согласно современной теории стружкообразования процессы деформации в зоне резания происходят с соответствии со схемой (рис. 5).

В зависимости от вида обрабатываемого материала (ОМ), геометрии РИ и режима резания имеют место четыре типа стружки:

- элементная – состоит из отдельных элементов, не связанных, или слабо связанных между собой, одинаковой формы и размеров;

- суставчатая – разделение на отдельные элементы не происходит, намечается граница раздела между элементами, но она не пронизывает стружку насквозь;

- сливная – характеризуется своей непрерывностью, прирезцовая сторона стружки отполирована (за счет трения о переднюю поверхность), имеет мелкие зазубрины в верхней части;

- надлома – состоит из отдельных элементов различной формы и размеров.

Первые три типа называются стружками скалывания (сдвига), так как их образование связано с напряжениями сдвига, последняя – отрыва, так как ее образование связано с растягивающими напряжениями. Тип стружки является важным технологическим параметром, по которому можно судить о процессе резания (табл. 3).

При обработке пластичных материалов образуются первые три типа стружки, причем с увеличением твердости ОМ стружка переходит от сливной к элементной. При обработке хрупких ОМ образуется стружка элементная и надлома, причем с увеличением твердости ОМ стружка переходит из элементной в стружку надлома.

Рис. 6. Силы резания при токарной обработке

Силы при обработке материалов резанием определяют экспериментально при помощи динамометров, с помощью которых равнодействующую силу резания R раскладывают по трем координатным осям (z, x, y) (рис. 6).

(5)

где P_z – главная составляющая силы резания, определяет мощность и крутящий момент при резании; необходима для расчета привода главного движения; P_y – радиальная составляющая силы резания, отжимает РИ от заготовки, оказывает влияние на точность и шероховатость обработанной поверхности; P_x – осевая составляющая силы резания; необходима для расчета привода подачи станка.

При j=45°, g=15°, l =0° то P_z =1, P_y = (0,4 – 0,5)P_z, P_x=(0,3 – 0,4)P_z.

Влияние скорости резания на силы носит нелинейный характер, причем в целом вне зоны наростообразования рост скорости резания приводит к снижению силы, так как в результате роста температуры резания происходит разупрочнение ОМ.

Увеличение прочности ОМ, подачи и глубины резания приводит к росту силы резания, так как возрастает площадь сечения срезаемого слоя.

Мощность затрачиваемая на процесс резания:

[кВт] (6)

где Pz–(Н), v–(м/мин).

Мощность на валу электродвигателя:

, (7)

где h - КПД электродвигателя станка.

Как указывалось выше, процесс резания сопровождается интенсивным тепловыделением. Основными источниками теплоты при резании являются:

1. Пластическая деформация материала в зоне OLM, в результате образуется теплота деформации.

2. Трение стружки по передней поверхности, в результате образуется теплота трения по передней поверхности.

3. Трение ОМ по задней поверхности, в результате образуется теплота трения по задней поверхности.

Теплота при резании играет двойную роль. С одной стороны она облегчает процесс резания, так как определяет интенсивность протекания процесса разупрочнения ОМ. С другой стороны – непрерывное тепловое воздействие на контактной площадке РИ приводят к их износу.

Увеличение прочности ОМ, скорости резания, подачи и глубины резания приводит к росту тепловыделения. Для снижения температуры при резании применяют охлаждение жидкостями и газами, используют твердые и пластичные смазки, покрытия.