Процесс образования сливной стружки

Исследования, проведенные с помощью метода делительной сетки, а также измерение микротвердости корней стружки показали, что между срезаемым слоем и образовавшейся стружкой существует более или менее отчетливо выраженная переходная зона. Схема, поясняющая процесс образования сливной стружки, представлена на рис. 4.2.

Рис.4.2. Зоны первичной и вторичной деформации при превращении срезаемого слоя в сливную стружку

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 ОК 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 1 первичной деформации. Зона ОАВСО первичной деформации имеет форму клина с вершиной на лезвии инструмента. Ее нижняя граница F ОА вогнута и пересекает продолжение поверхности резания. Верхняя граница 0В зоны выпукла и ее длина в 2...4 раза меньше длины линии ОА. Линия АВ плавно сопрягает предыдущую поверхность
резания со свободной стороной стружки. Левее линии ОА находятся еще недеформированные зерна материала срезаемого слоя, а правее линии OB — зерна материала, принадлежащие стружке. Зерно срезаемого слоя, перемещающееся относительно инструмента со скоростью резания у, начинает деформироваться в точке F и, проходя по траектории своего движения, получает все большую степень деформации. Деформация зерна заканчивается в точке Q, где зерно приобретает скорость Vc, равную скорости стружки.

Многочисленные эксперименты показывают, что ширина стружки по сравнению с шириной срезаемого слоя даже при свободном резании увеличивается незначительно; при несвободном резании уширение стружки еще меньше. Поэтому можно считать, что деформированное состояние в зоне стружкообразования является плоским и срезаемый слой в процессе резания претерпевает деформацию сдвига. На основании этого линия ОА физически представляет собой поверхность сдвига (скольжения), на которой сдвигающие напряжения равны пределу текучести исходного материала на сдвиг. Вся зона 1 состоит из подобных поверхностей, на каждой из которых сдвигающие напряжения равны пределу текучести материала, уже получившего определенную степень упрочнения в результате предшествующей деформации. Линия 0В представляет собой поверхность, на которой осуществляется последняя сдвиговая деформация; на ней сдвигающие напряжения равны пределу текучести на сдвиг материала окончательного упрочненного при превращения его 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 Δ₁ 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 Δ₁ 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 исчезающе малой. В этом случае степень деформации зерен стружки по ее толщине практически одинакова.

Сложность физических процессов, происходящих в зонах первичной и вторичной деформации, не позволяет дать простых математических методов их количественного описания. Поэтому при инженерных расчетах реальный процесс стружкообразования заменяют его упрощенной моделью. Правомерность использования упрощенной модели связана со следующими обстоятельствами. Зона первичной деформации по своей толщине соизмерима с толщиной срезаемого слоя только при малых передних углах инструмента, больших толщинах срезаемого слоя и низких скоростях резания. При передних углах инструмента, толщинах срезаемого слоя и скоростях резания, применяемых в производственных условиях, протяженность FQ зоны первичной деформации резко уменьшается, ее границы ОА и 0В сдвигаются, приближаясь к некоторой линии ОЕ, наклонной к поверхности резания под углом β. Это позволяет считать, что сдвиговые деформации локализуются в очень тонком слое толщиной Δх, а семейство поверхностей скольжения можно заменить единственной плоскостью ОЕ, называемой условной плоскостью сдвига. При такой идеализации процесс превращения срезаемого слоя в стружку можно представлять как процесс последовательных сдвигов тонких слоев обрабатываемого материала вдоль условной плоскости сдвига. Поскольку деформированное состояние практически является плоским, то, следовательно, процесс стружкообразования должен подчиняться закономерностям простого сдвига.

4.3. Усадка стружки

В связи с тем, что при механической обработке весь срезаемый слой припус­ка подвергается пластической деформации, форма и размеры срезаемого слоя изменяются. Ширина среза остается неизменной, а толщина стружки увеличи­вается по сравнению с толщиной среза. Поскольку объем стружки равен объему срезанного слоя, ширина стружки равна ширине среза, а толщина стружки больше толщины среза, естественно, должно произойти уменьшение длины стружки по сравнению с длиной срезанного слоя. Это явление уменьшения дли­ны стружки по сравнению с длиной поверхности, по которой она срезана, назы­вается усадкой.

Количественно усадка оценивается коэффициентом усадки стружки, кото­рый отражает величину пластической деформации, имевшей место при резании. Поэтому при исследовании влияния какого-либо фактора на процесс резания часто прибегают к оценке этого влияния по изменению величины коэффициента усадки стружки.

Рис. 4.3. Усадка стружки

Явление усадки стружки поясняется схемой на рис.4.3. На схеме показано уменьшение длинны стружки l_стр по сравнению с длинной среза l_o. Ширина стружки не изменяется, лишь на прирезцовой ее стороне имеет место уширение тонкого прирезцового слоя. Этим уширением можно пренебречь, поскольку оно не распространяется на всю толщину стружки. Уменьшение длины стружки на­зывается продольной усадкой, увеличение толщины стружки - поперечной усадкой. Соответственно и коэффициенты усадки называются коэффициентами продольной и поперечной усадки стружки. Количественно эти коэффициенты равны между собой.

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

a_o·b_o·l_o = a_стр·b_стр·l_ст

т.к. b_o = b_стр

поэтому: a_o·l_o = a_стр·l_стр и l_o/ l_стр = a_стр/ a_o

но это коэффициент продольной усадки К _l = , а

- коэффициент поперечной усадки К _a =

Следовательно: К _l = К _a = 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 режима 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, коррозионостойкие стали и другие, иногда наблюдается «отрицательная» усадка, при которой толщина стружки меньше толщины срезаемого слоя.

Лекция 5. Образование элементной стружки и нароста

Образование элементной стружки изучено значительно хуже, чем сливной. Кинограммы процесса резания и наблюдения за искажением ячеек делительной сетки оказывают, что прежде чем произойдет разрушение по плоскости скалывания " тп" (рис. 4.1а.) в объеме будущего элемента стружки, имеют место значительные деформации сжатия, вызывающие течение материала срезаемого слоя по передней поверхности перпендикулярно и параллельно лезвию инструмента. С учетом этого превращение срезаемого слоя в элемент стружки происходит следующим образом (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Схема превращения срезаемого слоя в элемент стружки

При перемещении инструмента на расстояние ΔL передняя поверхность воздействует на некоторый объем срезаемого слоя, ограниченный параллелограмом " m_omnn_o".

Когда напряжения сжатия превзойдут предел текучести материала обрабатываемой детали, начнется его течение по передней поверхности и точка m₀ окажется не в точкеk, куда она попадает при образовании сливной стружки, а в точке q. Одновременно происходит укорочение стороны параллелограмма m_on_o до размера qp. В результате этого параллелограмм m_omnn_o срезаемого слоя превращается в элемент стружки mnpq. Когда запас пластичности материала обрабатываемой детали будет исчерпан, происходит разрушение по плоскости скалывания и сколотый элемент перемещается вверх по передней поверхности. Чем больше степень деформации срезаемого слоя, тем больше отличаются по длине стороны трапеции mn и qp и тем больше форма элементной стружки приближается к треугольной. Сжимающие деформации вызывают значительное уширение основания элемента стружки, намного большее, чем уширение сливной стружки.

Резанию большинства конструкционных материалов при определенных условиях сопутствует явление, называемое наростообразованием. Под наростом (рис. 5.2) понимают клиновидную, более или менее неподвижную область материала обрабатываемой заготовки, расположенную у лезвия инструмента перед его передней поверхностью. Если образуется сливная стружка, то при определенных условиях нарост может достаточно прочно присоединиться к передней поверхности, оставаясь на ней и после прекращения резания.

При прерывистом резании и при образовании элементной стружки нарост на передней поверхности не удерживается, а уносится стружкой. Рассмотрение микрошлифов корней стружек показывает, что нарост имеет характерное слоистое строение, причем закругленная вершина нароста соединена со стружкой и срезаемым слоем. Рентгеноструктурный анализ нароста показал, что в его составе помимо деформированного материала срезаемого слоя присутствуют окисные пленки. Твердость нароста в 2,5…3 раза превосходит твердость обрабатываемого материала, из которого нарост образовался. Форму и размеры нароста можно характеризовать тремя основными параметрами: высотой Н, шириной подошвы l и углом γ_ф. Закругленная вершина нароста свешивается над задней поверхностью инструмента.

Установлено, что нарост не является полностью стабильным телом, а постоянно и чрезвычайно быстро изменяет свои размеры. В сотые доли секунды нарост возникает, увеличивает свою высоту до максимальной, а затем частично или полностью разрушается.

Рис. 5.2 Схема строения нароста

Частота возникновения и срывов нароста растет с увеличением скорости резания и при V = 40…60 м/мин составляет 3000 … 4000 циклов в минуту. В наросте различают зоны (см. рис. 5.2.): зону 1, где скорость движения материала изменяется от нуля до скорости движения стружки, и зону 2, где материал полностью неподвижен. Вследствие клиновидной формы и твердости, более высокой, чем твердость обрабатываемого материала, нарост какое-то время выполняет функцию режущего клина и образующаяся стружка вначале перемещается не по передней поверхности инструмента, а по наросту. Из-за того, что вершина нароста свешивается за лезвие инструмента, действительная толщина срезаемого слоя становится больше номинальной на величину Δа.

Физическая природа наростообразования чрезвычайно сложна и полностью не изучена. В настоящее время установлено, что для образования нароста необходимы следующие условия:

1) передняя поверхность инструмента на некоторой части площадки контакта должна быть полностью очищена от адсорбированных масляных и окисных пленок;

2) температура и нормальные контактные напряжения на передней поверхности должны быть такими, при которых в контактном слое стружки создается напряженное состояние, соответствующее невыполнению условия пластичности.

Процесс образования нароста схематично можно представить следующим образом. На ювенильных (химически чистых) поверхностях стружки и инструмента при определенных температуре и давлении создаются условия для адгезионного схватывания (соединения) материалов стружки и инструмента. В результате сил адгезии (сил молекулярного прилипания) происходит прочное присоединение контактного слоя стружки к передней поверхности и образование заторможенного слоя, служащего фундаментом для нароста. При скольжении стружки по заторможенному слою происходит аналогичное схватывание и образование следующего слоя нароста, приводящее к увеличению его высоты. Вследствие большей шероховатости образовавшегося слоя создаются благоприятные условия для проникновения кислорода воздуха и его диффундирования в поверхностные слои материала. Окисные пленки уменьшают трение между стружкой и поверхностью нароста, а поэтому каждый следующий нарощенный слой становится короче предыдущего и нарост приобретает клиновидную форму. Высота нароста растет до тех пор, пока его прочность становится недостаточной для восприятия нагрузки со стороны стружки, и нарост разрушается. Разрушению нароста способствует и то, что после достижения им определенной высоты стружка не полностью облегчает нарост, а между наростом, стружкой и поверхностью резания появляются зазоры, в результате чего тело нароста перестает находиться в условиях всестороннего сжатия.

Обычно нарост разрушается не весь, а только его верхняя, менее прочная область. Одна часть разрушенного нароста уносится стружкой, а вторая — поверхностью резания. После разрушения нарост вновь возрастает до предельной для конкретных условий резания высоты, опять разрушается и т. д.

На размеры нароста основное влияние оказывают род и механические свойства обрабатываемого материала, скорость резания, толщина срезаемого слоя (подача), передний угол инструмента и род применяемой смазочно-охлаждающей жидкости.

Все материалы можно разделить на материалы, не склонные к наростообразованию и склонные к наростообразованию. К первым можно отнести медь, латунь, бронзу, олово, свинец, большинство титановых сплавов, белый чугун, закаленные стали, легированные стали с боль шим содержанием хрома и никеля; ко вторым - конструкционные, углеродистые и большинство легированных сталей, серый чугун, алюминий, силумин. Если материал склонен к наростообразованию, то размеры нароста Н и I возрастают при уменьшении твердости и повышении пластичности материала.

При определенных скоростях резания нарост выполняет защитные функции по отношению к инструменту. Перемещаясь по наросту, стружка отодвигается от лезвия, изнашивая переднюю поверхность на значительно большем расстоянии от лезвия, чем в том случае, когда нарост отсутствует. Свешивающаяся вершина нароста предохраняет заднюю поверхность инструмента от соприкосновения с поверхностью резания. Таким образом, нарост препятствует изнашиванию контактных поверхностей инструмента.

В зоне скоростей резания, соответствующих максимальной высоте нароста, наблюдается резкое увеличение шероховатости обработанной поверхности. При периодическом разрушении вершины нароста, связанной со срезаемым слоем, на поверхности резания и обработанной поверхности образуются надрывы и борозды, а часть нароста внедряется в обработанную поверхность. Все это увеличивает шероховатость обработанной поверхности, и, таким образом. При росте нароста, его разрушении и последующем возрастании происходит периодическое изменение фактического переднего угла инструмента и, как следствие, периодические, изменения силы резания. Поэтому при максимально развитом наросте могут возникнуть вынужденные колебания технологической системы с частотой, равной частоте образования и полного или частичного разрушения нароста. Оба последних обстоятельства делают крайне нежелательным возникновение нароста при чистовой обработке.

Лекция 6. Силы и работа резания

6.1. Система сил при свободном резании

При механической обработке готовая деталь требуемой формы и качества обработанных поверхностей получается в результате удаления с заго­товки слоя (слоев) припуска в виде стружки, состоящей из пластически дефор­мированного обрабатываемого материала. Пластическое деформирование сре­заемого слоя припуска происходит под действием силы, превосходящей сопро­тивление обрабатываемого материала его деформации и разрушению. Для вы­явления физической природы сил, действующих на режущий инструмент со стороны обрабатываемого материала, представленную на рис.6.1. плоскую сис­тему сил, действующих на режущий инструмент при свободном резании. Обра­зующаяся стружка сходит по передней поверхности инструмента и давит на нее с силой нормального давления N.

Рис. 6.1 Схема сил действующих, на переднюю и заднюю поверхности