Файл: Вульф А.М. Резание металлов.pdf

Г л а в а IV

ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

18. МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ СТРУЖКИ

Процесс превращения срезаемого слоя в стружку является предметом внимания очень многих исследователей, поскольку он показывает существо процесса резания, его физику и, следова­ тельно, основные закономерности науки о резании, ее теорию. Хорошая теория является лучшей практикой; она освещает пути повышения производительности процесса резания, его экономич­ ности, качества обработанной поверхности и тем самым ресурса машин.

Первым, кто отметил большое значение явлений, происходящих в процессе резания в связи с образованием стружки, и тем зало­ жил фундамент науки о резании металлов, был русский ученый проф. И. А. Тиме [83]. Он пишет:

«С первого взгляда может показаться странным и непонятным, что могут пред­ ставлять собою интересного и нового эти, по-видимому, однообразные массы стру­ жек и опилок, образующих в машиностроительных фабриках груды малоценного мусора. Между тем, при тщательном наблюдении мы замечаем, что эти груды му­ сора состоят из весьма разнообразных по величине, форме, виду и строению стру­ жек, подчиняющихся известным одним и тем же физическим законам и представ­ ляющих для науки поле для новых обширных и чрезвычайно интересных иссле­ дований».

продукт весьма сложного процесса, течение которого определяется многими факторами. Для познания этого процесса прибегали

кразличным методам:

1)визуальное наблюдение отполированной боковой поверх­ ности обрабатываемого образца;

2)наблюдения сетки, нанесенной на боковую отполированную поверхность, и измерения ее искажения в результате пластической деформации срезаемого слоя (метод координатной сетки);

3)киносъемка процесса резания и сопровождающих его яв­ лений;

4) изучение микрошлифов зоны резания;

5)поляризационно-оптическое изучение напряжений в зоне резания;

6)измерения твердости и расчета напряжений в зоне резания;

74

четливо распространяется в зоне, ограниченной поверхностью AM, расположенной под некоторым углом Ф. Эту поверхность Тиме назвал плоскостью скалывания и соответственно угол Ф — углом скалывания. Вдоль этой плоскости происходит сдвиг элемента стружки. По мере дальнейшего движения резца образуются все

в направлении, нормальном плоскости скалывания. Здесь толщина

«. . .снятая стружка имеет вид изогнутой пилы. Внутренняя, поверхность стружки — зазубренная, а внешняя — гладкая вследствие сильного трения о переднюю поверхность резца. Последнее обстоятельство и является причиной того, что элемент стружки приобретает трапецеидальную форму, а сама стружка завивается». . . «Чем толще снимаемый слой и чем более угол резания, тем скалы­ вание в плоскости AM более совершенное, и строение стружек более ясное и от­ четливое. При очень большом угле резания связь между элементами нередко столь незначительна, что они отделяются поодиночке в виде маленьких параллелепипедных тел (рис. 29. б). Напротив того, с уменьшением толщины снимаемого слоя и угла резания скалывание происходит менее совершенным образом и струж­ ки получаются более или менее сливного сложения. Наружная выпуклая поверх­ ность их всегда гладкая, внутренняя — вогнутая, зазубренная, но при тонких стружках и малом угле резания зубчики так тонки, что внутренняя поверхность принимает настоящий бархатистый вид».

Эта краткая характеристика, взятая из «Мемуаров о строгании металлов» [83], наглядно рисует виды стружек при обработке вязких металлов. Как видим, Тиме рассматривает резание металлов как процесс последовательного скалывания элементов стружки и при этом в зависимости от степени пластичности обрабатываемого материала, угла резания, толщины среза, скорости резания и дру­ гих параметров стружка скалывания называлась сливной и эле­ ментной.

При обработке хрупких материалов (чугуна, бронзы, пластмасс и др.) образование стружки происходит совершенно иначе, от­ лично от вязких металлов. Тиме пишет:

«. . .вначале при вдавливании резца происходят все те явления, которые пред­ шествуют скалыванию элементов. Затем неожиданно происходит одновременный разрыв и переломбольшого элемента Э (рис. 29, в). Поверхности разрыва и над­

лома этих элементов неровные, зернистого строения, вследствие чего обработан­ ная поверхность получается неровной, покрытой впадинами, углублениями. Иногда металл имеет еще в достаточной степени вязкость, так что элементы, будучи связаны между собою на верхней поверхности, образуют настоящую стружку. Но такие стружки, состоящие из элементов надлома, которым мы дали название стружки надлома, существенно отличаются по виду и строению от стружки скалывания».

В своем труде Тиме [83 ] полемизирует с французским исследо­ вателем Tresca, утверждавшим, что в процессе резания проис-

76

ходят сжатие снимаемого слоя и удаление его путем сдвига вдоль плоскости резания. Последующие исследования зоны резания позволили уточнить физическую картину процесса резания.

Первоначально об упругонапряженном состоянии обрабатывае­ мого материала судили по эпюрам напряжений, полученным

расчетно-оптическим методом (фотоупругости) при обработке цел­ лулоида (рис. 30).

Напряжения рассматриваются в вертикальных плоскостях NN, расположенных на определенном расстоянии / от режущей кромки. Например, для резцов с углом резания б = 90° и б = 60° при

/ = где а — толщина срезаемого слоя, замечаем следующее:

в точке т (рис. 30, а) имеют место максимальные напряжения сжатия ог, действующие в горизонтальном направлении, а

77

в точке О они меняют знак — переходят в растягивающие напря­ жения.

ление пластических сдвигов в срезаемом слое, можно считать, что положение плоскости сдвига должно определяться некоторым углом Ф, который был принят впервые И. А. Тиме, а затем и дру­ гими исследователями за угол сдвига. В действительности процесс резания протекает более сложно. Здесь, помимо гидростатиче­

а при некоторых условиях и течение ее, т. е. пластическая дефор­ мация приобретает разнообразные формы в зависимости от кон­ кретных условий.

19. ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ МЕТАЛЛА

ВПРОЦЕССЕ РЕЗАНИЯ

Выше были даны упрощенные представления о деформации срезаемого слоя, происходящей вдоль одной плоскости сдвига. В действительности положение значительно сложнее. Пластиче­ ская деформация, т. е. сдвиговые процессы происходят в опре­ деленной зоне и согласно пластической механике линии этих сдвигов можно выразить кривыми, пронизывающими зону реза­ ния (рис. 31, а). Линия AM' — условная граница упругонапряженного металла; здесь начинаются и постепенно возрастают пла­

стружки. Первоначально линии сдвигов проходят вдоль плоскости резания и выходят наружу на обрабатываемую поверхность. Пост.пенное возрастание пластической деформации внешне вы­

значительно меньше скорости срезаемого слоя (скорости резания v) в соответствии с усадкой стружки.

78

С увеличением скорости резания зона пластической деформа­ ции / / уменьшается и превращается в узкую полоску вдоль пло­ скости сдвига, а угол сдвига Ф увеличивается вплоть до величины Ф = 45° при очень больших скоростях, когда деформация не успе­ вает произойти и усадка стружки отсутствует (рис. 31, б).

В этом случае зона / упругонапряженного состояния прибли­ жается к режущей кромке А. Здесь показаны касательные напря­ жения хгу и нормальные ау. Последние действуют как растягива­ ющие у режущей кромки (точка А) и по мере удаления быстро затухают, а затем через нуль переходят в напряжения сжатия.

Учитывая, что пластические деформации протекают с различ­ ной интенсивностью по толщине снимаемого слоя металла, можно ожидать здесь некоторого градиента скоростей движения отдель­ ных слоев, особенно заметного при обработке вязкопластичного металла. Это обстоятельство влияет на текстуру стружки и ее отвод (завивание).

Как было указано, пластическая деформация начинается на левой границе зоны / / и постепенно увеличивается. Когда напря­ жение достигнет значений предела текучести наклепанного ме­ талла, происходит сдвиг элемента на конечной, правой границе пластической зоны. Затем напряжение снижается и начинает формироваться новый элемент стружки; так получается элемент­ ная стружка скалывания. Если при резании касательные напря­ жения или деформация не достигнут предельных значений на конечной границе переходной зоны, то образуется непрерывная сливная стружка (деформация прекращается прежде чем будет достигнута предельная энергия деформации).

Большинство исследователей принимает процесс резания пластичных металлов как процесс последовательного простого сдвига элементов среза. Деформация простого сдвига заключается в перемещении точек деформируемого тела лишь в направлении, параллельном одной оси z, на расстояния, пропорциональные оси у (рис. 31, в). В результате происходит усадка стружки.

Усадка стружки

Один из признаков стружки скалывания — усадка в резуль­

одной из основных характеристик процесса резания. Ее вели­

При обработке хрупких металлов, когда образуется стружка надлома, усадка ее весьма мала или отсутствует. Здесь сказывается слабое сопротивление отрыву сравнительно с сопротивлением сдвигу. Очень малая усадка и даже так называемая «отрицатель-

80