книги / Процессы формообразования и инструменты

Глава III

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕЗАНИЯ

По сути, процесс резания является процессом больших пластических деформаций срезаемого слоя и удаления его из зоны резания. Удаленный с поверхности заготовки слой называется стружкой.

Поскольку в процессе резания большая часть энергии тратится на образование стружки, изучение процесса стружкообразования является одной из актуальных задач, решение которой позволяет повысить эффективность процесса формообразования.

Условно процесс стружкообразования можно разделить на следующие этапы (рис. 3.1):

1 – в начальный момент, когда резец под действием силы R соприкасается с металлом, в материале возникают упругие деформации;

2 – при дальнейшем движении резец своей кромкой вдавливается в металл, вызывая его пластическое деформирование;

3 – по мере перемещения резца объем пластически деформированного металла увеличивается и внутренние напряжения достигают значений, превышающих временное сопротивление металла на сдвиг;

4 – весь пластически деформированный металл под действием сил сдвигается резцом в виде стружки.

Рис. 3.1. Процесс стружкообразования

31

При рассмотрении процесса стружкообразования выделяют две основные зоны (рис. 3.2):

1 – зона стружкообразования – переходная зона между срезаемым слоем и стружкой;

2 – зона вторичной деформации.

Фактически зона стружкообразования представляет собой совокупность наложенных друг на друга плоскостей сдвига. Однако для упрощения расчетов принято заменять всю совокупность плоскостей всего одной – плоскостью сдвига О–О (рис. 3.3).

Плоскость сдвига – плоскость, по которой происходит отделение стружки от заготовки. Расположение плоскости сдвига относительно направления движения инструмента определяется углом сдвига β1. Зона вторичной деформации образуется в результате дополнительного трения стружки о переднюю поверхность инструмента. В этой зоне степень пластической деформации в 20 раз превышает среднюю степень деформации стружки.

В результате трения о переднюю поверхность инструмента окончательная структура срезаемого слоя формируется в виде вытянутых зерен (рис. 3.4).

32

Рис. 3.4. Текстура

Упорядоченную ориентацию деформированных кристаллических зерен называют текстурой. Угол, определяющий текстуру, называют углом текстуры θ.

3.1. Контактные процессы на передней поверхности инструмента

В зоне 2 (см. рис. 3.2) трение настолько велико, что зачастую срезаемый контактный слой останавливается и прилипает к передней поверхности инструмента, образуя нарост. Последующие слои срезаемого слоя начинают взаимодействовать уже не с передней поверхностью, а с наростом.

Под наростом понимают неподвижное твердое тело, образовавшееся по режущей кромке на передней поверхности инструмента (рис. 3.5). Нарост приводит к изменению геометрии режущей части инструмента.

Рис. 3.5. Образование нароста на передней поверхности инструмента

33

Передний угол фактический γф становится больше номинально-

го (см. рис. 3.5).

Нарост тверже обрабатываемого материала в 2–3 раза.

Важно понимать, что нарост – это неустойчивое циклическое образование и при изменении режимов резания он появляется, увеличивается и в дальнейшем разрушается.

Наличие нароста на передней поверхности является отрицательным фактором, так как он способствует появлению колебаний в процессе обработки, из-за чего увеличивается износ инструмента, снижаются качество и точность обработанной поверхности.

Установлено, что все обрабатываемые материалы можно разделить на две группы:

1)не дающие нарост (латунь, бронза, закаленные стали, титановые сплавы);

2)дающие нарост (стали, серый чугун, алюминий).

На величину нароста оказывают влияние геометрия инструмента, физико-механические свойства обрабатываемого материала и режимы резания.

3.2. Классификация типов стружек

Согласно теории резания введена классификация типов стружек, на основании которой выделяют следующие типы:

1)сливная;

2)уставчатая;

3)элементная;

4)отрыва (надлома).

Первые три типа стружки называются стружками сдвига (подвержены сдвигающей деформации). Четвертый тип стружки подвергается растягивающим напряжениям.

Формирование стружки зависит от глубины резания, подачи, материала заготовки и геометрии инструмента.

Сливная стружка представляет собой сплошную ленту, завивающуюся в винтовую либо плоскую спираль (рис. 3.6).

34

Рис. 3.6. Сливная стружка: 1 – контактная сторона стружки (гладкая); 2 – свободная сторона стружки (бархатистый вид, зазубрины)

Суставчатая стружка (рис. 3.7) представляет собой сплошную ленту, которая также завита либо в винтовую, либо в плоскую спираль, при этом стружка как бы разделена на отдельные сегменты – «суставы», на боковой поверхности часто видны границы между отдельными элементами. Эти границы видны со свободной стороны стружки и доходят до середины толщины стружки.

Рис. 3.7. Суставчатая стружка

Элементная стружка (рис. 3.8) представляет собой отдельные элементы, которые либо слабо связаны друг с другом, либо не связаны вообще.

35

Рис. 3.8. Элементная стружка

Стружка отрыва (рис. 3.9) состоит из отдельных элементов непостоянной формы, не связанных друг с другом. Образующаяся обработанная поверхность представляет собой сочетание раковин и отдельных участков гладкой поверхности.

Рис. 3.9. Стружка отрыва

Первые три типа стружки образуются при обработке пластичных материалов (сталь, сплавы стали), последний тип – при обработке хрупких материалов (чугун, бронза).

Граница m–n (см. рис. 3.6–3.8) обозначает поверхность сдвига. При образовании стружки четвертого типа этой поверхности нет.

На тип стружки оказывают влияние как геометрические параметры инструмента, так и технологические условия обработки.

36

При увеличении переднего угла γ стружка из элементной переходит в суставчатую, а затем в сливную.

Влияние технологических параметров на формирование стружки представлено в табл. 3.1.

Чем тверже обрабатываемый материал, тем ярче выражены элементы стружки.

Сточки зрения стабильности процесса резания оптимальной является сливная стружка, однако она представляет опасность для рабочего и на практике вынуждены применять устройства для ее дробления.

Сточки зрения удаления и транспортировки стружки оптимальной является стружка надлома, однако при таком стружкообразовании наблюдается ухудшение качества обработанной поверхности, появляются вибрации и, как следствие, снижается стойкость инструмента.

При назначении режимов обработки необходимо учитывать тип дробления стружки во время резания.

При точении выделяют три основных типа дробления струж-

ки [4]:

37

1. Самодробление (рис. 3.10). Самодробление стружки происходит под действием внутренних напряжений. В процессе резания стружка изгибается и ломается.

Рис. 3.10. Самодробление стружки

2.Об инструмент (рис. 3.11). Стружка ломается об инструмент.

Впроцессе резания она начинает загибаться в сторону инструмента, соприкасается с пластиной или державкой и отламывается. Для более эффективного дробления стружки об инструмент на передней поверхности пластины создается макрогеометрия со стружколомом.

Рис. 3.11. Дробление стружки об инструмент

38

3. О заготовку (рис. 3.12). Стружка ломается о заготовку, при этом может контактировать с уже обработанной поверхностью. Этот тип стружкодробления, как правило, не подходит для случаев, когда требуется высокое качество обработанной поверхности.

Рис. 3.12. Дробление стружки о заготовку

На практике для конкретной геометрии пластины определяется область устойчивого стружкодробления в зависимости от подачи и глубины резания. Зачастую для этих целей используются диаграммы стружкодробления (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Диаграмма стружкодробления

39

Глубину резания и подачу необходимо подбирать в соответствии с областью устойчивого стружкодробления для заданной геометрии пластины. Данные об области режимных параметров для заданных пластин приводятся в каталогах фирм-производителей.

3.3. Усадка стружки

Усадка стружки – это изменение размеров срезаемого слоя в результате пластической деформации (рис. 3.14) [5–14].

Рис. 3.14. Усадка стружки: L – длина срезаемого слоя; а – толщина срезаемого слоя; L1 – длина стружки; a1 – толщина стружки

В процессе резания стружка укорачивается, но утолщается и уширяется, при этом объем материала остается неизменным:

где b – ширина срезаемого слоя; b1 – ширина стружки.

Для оценки усадки используются следующие коэффициенты:

1) коэффициент продольной усадки Kl = L ;

L1

40