книги / Научно-исследовательская работа магистров по технологии машиностроения

ментная стружка (рис. 5, а) состоит из отдельных «элементов» 1 приблизительно одинаковой формы, не связанных или слабо связанных друг с другом. Границу тп, отделяющую образовавшийся элемент стружкиот срезаемого слоя, называют поверхностью скалывания.

Физически она представляет собой поверхность, по которой в процессе резания периодически происходит разрушение срезаемого слоя. Усуставчатой стружки (рис. 5, б) разделения ее на отдельные части не происходит. Поверхность скалывания только наметилась, но она не пронизывает стружку по всей толщине. Поэтому стружка состоит как бы из отдельныхсуставов1 безнарушениясвязимеждуними.

Основным признаком сливной стружки (рис. 5, в) является ее сплошность (непрерывность). Если на пути движения сливной стружки нет никаких препятствий, то она сходит непрерывной лентой, завиваясь в плоскую или винтовую спираль, пока часть стружки не отламывается под действием собственного веса. Поверхность 1 стружки, прилегающую к передней поверхности инструмента, называют контактной стороной (поверхностью). Она сравнительно гладкая, а при высоких скоростях резания отполирована в результате трения о переднюю поверхность инструмента. Ее противоположную поверхность 2 называют свободной стороной (поверхностью) стружки. Она покрыта мелкими зазубринками-насечкой и при высоких скоростях резания имеет бархатистый вид. Стружка соприкасается с передней поверхностью инструмента в пределах площадки контакта, ширина которой обозначена через С, а длина равна рабочей длине главного лезвия. В зависимости от рода и свойств обрабатываемого материала и скоро-

сти резания ширина площадки контакта в 1,5… 6 раз больше толщины срезаемого слоя. Стружка надлома (рис. 5, г) состоит из от-

дельных, не связанных друг с другом кусочков различной формы и размеров. Образованию стружки надлома сопутствует мелкая металлическая пыль. Поверхность разрушения тп может располагаться ниже поверхности резания, в результате чего последняя покрыта следами от выломанных из нее кусочков стружки.

Тип стружки во многом зависит от рода и механических свойств обрабатываемого материала. При резании пластичных материалов возможно образование первых трех типов стружки: элементной,

131

суставчатой и сливной. По мере увеличения твердости и прочности обрабатываемого материала сливная стружка переходит в суставчатую, а затем – в элементную. При обработке хрупких материалов образуется или элементная стружка (чаще), или стружка надлома (реже). С повышением твердости материала, например чугуна, элементная стружка переходит в стружку надлома. Высокие скорости деформации не позволяют установить четкую границу между хрупкими и пластичными материалами, поскольку один и тот же материал в зависимости от характера напряженного состояния при резании и скорости деформации может вести себя и как хрупкий, и как пластичный. Так, например, при точении чугуна стружка может быть сливной, при обработке вязких сталей – элементной.

Из геометрических параметров инструмента наиболее сильно на тип стружки влияют передний угол и угол наклона главного лезвия. При обработке пластичных материалов влияние углов γ и λ принципиально одинаково: по мере их увеличения элементная стружка переходит в суставчатую, а затем в сливную. При резании хрупких материалов при больших передних углах может образовываться стружка надлома, которая по мере уменьшения переднего угла переходит в элементную. При увеличении угла наклона главного лезвия стружка постепенно превращается в элементную стружку.

На тип стружки оказывают влияние подача (толщина срезаемого слоя) и скорость резания. Глубина резания (ширина срезаемого слоя) на тип стружки практически не влияет. Увеличение подачи (толщины срезаемого слоя) приводит при резании пластичных материалов к последовательному переходу от сливной стружки к суставчатой и элементной. При резании хрупких материалов с увеличением подачи элементная стружка переходит в стружку надлома.

Наиболее сложно на тип стружки влияет скорость резания. При резании большинства углеродистых и легированных конструкционных сталей, если исключить зону скоростей резания, при которых образуется нарост (смотри ниже), по мере увеличения скорости резания стружка из элементной становится суставчатой, а затем сливной. Однако при обработке некоторых жаропрочных сталей и сплавов, титановых сплавов повышение скорости резания, наоборот,

132

превращает сливную стружку в элементную. Физическая причина этого явления до настоящего времени полностью не выяснена. Повышение скорости резания при обработке хрупких материалов сопровождается переходом стружки надлома в элементную стружку с уменьшением размеров отдельных элементов и упрочнением связи между ними.

При применяемых в производстве геометрических параметрах инструментов и режимах резания основными типами стружки при резании пластичных материалов являются сливная стружка (чаще) и суставчатая стружка (реже). Основным типом стружки при резании хрупких материалов является элементная стружка. В настоящее время наиболееподробно изучен процесс сливного стружкообразования.

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. Если бы между передней поверхностью инструмента и контактной поверхностью стружки отсутствовало трение, то на этом деформирование зерен срезаемого слоя закончилось...

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. 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, следовательно, процесс стружкообразования должен подчиняться закономерностям простого сдвига.

Наблюдаемое незначительное уширение стружки, т. е. наличие деформации в направлении второй главной оси, свидетельствует о том, что помимо деформации простого сдвига при резании имеет

133

место деформация сжатия. Однако приведенные эксп риментальные данн ые показывают, что доля деформации сжатия по сравнению с деформацией простого сдвига невелика. Поэтому при инженерных расчетах, особенно при несвободном резании, можно пользоваться упро щенной моделью с единственной плоскостью сдвига, принимая деформированное состояние простого сдвига.

Методы изучения и оценки пластической деформации

Существуют следующие методы исследования деформации в срезаемом слое.

ния (корни стружки); по светлым пятнам и границам потускнения части металла можно судить о харак ере пластическ й деформации при резании. Например, с увеличением скорости резания при протягивании сплава ЭИ43 7БУ-ВД размер зоны деформации протянутых образцов уменьшается, а угол сдвига х увеличивае ся, что свидетельствует о снижении деформации ( ис. 6).

вг

Рис. 6. Влияние скорости резания на угол сдвига х на микрошлифах корней стружек сплава ЭИ437Б -ВД: а – 2 м/мин; б – 0,13 м/с; в – 0,43 м/с; г – 0,67 м/с (Sz = 0,1 мм/зуб; шлиф полированные протравленныеинепротравленные)

134

2. Метод измерения микротвердости и расчет напряжений в зоне резания. На полированной поверхности зоны резания и стружки наносят уколы алмазной иглой с помощью прибора микротвердомера ПМТ-3 с определенной нагрузкой. По глубине и ширине следа алмазной призмы вычисляют микротвердость в каждой точке. Затем переносят картину на бумагу, соединяют точки с одинаковой микротвердостью и рисуют схему пластической деформации в зоне резания. Например, на рис. 7 представлены результаты измерения микротвердости в зоне резания образцов из сплава ЭИ787-ВД, протянутых на различных скоростях резания с подачей на зубьях протяжки 0,06 мм/зуб. Установлено, что с увеличением скорости резания и снижением подачи пластическая деформация уменьшается.

Рис. 7. Распределение микротвердости в поверхностном слое образцов и корнях стружек из сплава ЭИ787-ВД (ХН35ВТЮ-ВД, НВ 388…412)

после протягивания на различных скоростях резания с подачей 0,06 мм/зуб протяжками из твердого сплава ВК8

135

3. Электронно-микроскопическое исследование стружки и зо-

ны резания: с помощью электронных и обычных микроскопов изучаются процессы и менения микроструктуры обработанной поверхности стружки. Например, на ри с. 8 показана микроструктура поверхности металла после обработки на различных скоростях резания. При этом зона резания увеличена более чем в 300 раз, поэтому отчетливо видно изменение зерен металла перед зоной резания, в самой зоне резания и в обработанной поверхности вследствие мощной пластическо й деформации.

а б в г

Рис. 8. Микрошлифы корней стружки при протягива ии сплава ХН 77ТЮР-ВД со скоростями резания 2 (а), 8 (б), 26 (в), 40 (г) м/мин, (Sz = 0,1 мм/зуб, шлифы протравлены, 300)

К другим, менее распространенным методам экспериментальных исследований процессов пластической деформации при резании атериалов относятся: скоростная кино- и видеосъемка, поля- ризационно-оптическое изучение напряжений зоны резания, рент- гено-структурный ан лиз зоны резания, метод координатной сетки.

Влияние условий резания на процесс образования стружки

Различные факторы, действующ ие при резании, по-разному влия т на деформационные и контактные процессы в зоне резания. Одни факторы непосредственно влияют на процесс стружкообразования, другие – косвенно. Косвенное влияние оказывают почти все факторы, причем это влияние в большинстве случаев вызывает цепочку взаимосвязанн х явлений, обусловливающих в конечном счете действие фактора, влияющего непос едственно. Например, измене-

136

ние величины переднего угла увеличивает или уменьшает средние контактные нормальные напряжения на передней поверхности, что приводит к изменению среднего коэффициента трения и угла трения. Последнее оказывает влияние на угол действия, изменение которого вызывает изменение угла сдвига и работы стружкообразования.

Действие какого-либо фактора через цепочку взаимосвязанных факторов может усиливаться или ослабляться в зависимости от того, существует ли двустороннее взаимное влияние факторов друг на друга и совпадают или не совпадают результаты активного и реактивного действия. Например, увеличение среднего коэффициента трения сопровождается увеличением ширины площадки контакта стружки с передней поверхностью, что приводит к снижению средних контактных нормальных напряжений. При наличии двух участков трения это вызовет еще большее увеличение среднего коэффициента трения.

Факторы, действующие при резании, можно разделить на внешние и внутренние. К внешним факторам относятся: свойства обрабатываемого и инструментального материалов, геометрические параметры инструмента, параметры режима резания, свойства сма- зочно-охлаждающей жидкости. К внутренним факторам можно отнести угол действия, температуру на передней поверхности, средний коэффициент трения, ширину площадки контакта, действительный передний угол с учетом нароста и др.

Непосредственное влияние на процесс стружкообразования при прямоугольном резании оказывают только четыре фактора: угол действия, передний угол инструмента, скорость резания и свойства обрабатываемого материала. Все остальные факторы влияют косвенно. Рассмотрим влияние некоторых факторов, действующих наиболее значительно.

Влияние угла действия. Важнейшей характеристикой процесса стружкообразования является угол сдвига , от величины которого зависят коэффициент усадки стружки, относительный сдвиг и работа стружкообразования. Все то, что увеличивает угол сдвига, уменьшает степень деформации срезаемого слоя и работу стружко-

137

образования. Используя условие равновесия инструмента, профессор К.А. Зворыкин теоретически получил уравнение для определения угла сдвига в зависимости от переднего угла и угла трения на передней поверхности:

2 + – = С,

где С – постоянная величина, близкая для стали и чугуна к 80°. Если учесть, что – = , то уравнение принимает вид

2 + = С,

где – угол действия.

Таким образом, угол сдвига непосредственно зависит от угла действия, уменьшаясь при увеличении последнего согласно следующей зависимости:

= (С – )/2.

При увеличении угла действия угол сдвига уменьшается, что приводит к увеличению степени деформации срезаемого слоя и работы стружкообразования. Ухудшение условий стружкообразования связано с изменением напряженного и деформированного состояния

зоны стружкообразования. При увеличении угла вектор P силы стружкообразования поворачивается против часовой стрелки, что приводит к повороту в том же направлении осей главных напряжений и соответствующему уменьшению угла сдвига.

Влияние переднего угла. Непосредственное влияние переднего угла на процесс стружкообразования заключается в изменении направления схода стружки в пространстве (рис. 9, а). При уменьшении переднего угла увеличивается угол разворота стружки – угол

между векторами скоростей резания V и стружки Vc , и частицы

срезаемого слоя при превращении его в стружку круче изменяют направление своего движения. Поскольку изменение направления движения частиц связано со сдвигом по условной плоскости сдвига, то уменьшение переднего угла должно увеличить интенсивность сдвигового процесса, т.е. уменьшить угол сдвига. Эксперименталь-

138

ная проверка подтверждает эти рассуждения (рис. 9, б). Уменьшение переднего угла уменьшает угол сдвига и увеличивает степень деформации срезаемого слоя и наоборот.

Рис. 9. Влияние переднего угла на угол сдвига при постоянном угле действия (свободное резание стали 20Х; = 0)

Когда нарост отсутствует, косвенное влияние переднего угла на процесс стружкообразования связано только с изменением угла действия. Влияние переднего угла на угол действия идет по двум каналам: за счет изменения ориентации передней поверхности и за счет изменения среднего коэффициента трения. При уменьшении переднего угла угол действия увеличивается вследствие изменения положения передней поверхности и уменьшается вследствие уменьшения среднего коэффициента трения. Первое воздействие является преобладающим, а поэтому угол действия и передний угол находятся в обратной зависимости. Благодаря совпадению непосредственного и косвенного действия переднего угла на процесс стружкообразования передний угол на коэффициент усадки стружки Kl, относительный сдвиг и работу стружкообразования Eс влияет очень сильно, увеличивая их при своем уменьшении.

В зоне скоростей резания, при которых нарост имеет наибольшую высоту, влияние переднего угла на процесс стружкообразования менее заметно. Чем меньше передний угол, тем больше высота нароста и больше фактический передний угол. Таким образом, уменьшение номинального переднего угла компенсируется увеличением фактического переднего угла.

139

Влияние скорости резания. Непосредственное влияние скорости резания на процесс стружкообразования выражается в изменении угла сдвига. Угол сдвига растет при увеличении скорости резания, что связано с запаздыванием процесса пластической деформации. При малой скорости резания зона первичной деформации ОАВ (см. рис. 10, а) имеет относительно большие размеры. При большой скорости резания срезаемый слой столь быстро проходит через поле напряжений, что пластические деформации не успевают произойти на нижней границе ОА зоны деформации, а осуществляются правее от нее, там, где действуют значительно большие напряжения. В результате этого нижняя граница ОА смещается в положение ОА'.

аб

Рис. 10. Влияние скорости резания V на угол сдвига при постоянном угле действия

(свободное резание меди; = 20°; = 23°30')

Косвенное влияние скорости резания на процесс стружкообразования проявляется в ее влиянии на угол действия за счет изменения среднего коэффициента трения, а если материал обрабатываемой детали склонен к наростообразованию, то и за счет изменения фактического переднего угла.

Изменение среднего коэффициента трения при изменении скорости резания связано как с влиянием ее на средние нормальные контактные напряжения, так и с изменением температуры на передней поверхности, влияющей на сопротивление сдвигу в контактном слое стружки. При резании материалов, не склонных к наростообразованию, увеличение скорости резания непрерывно улучшает про-

140