Вопрос 4 Введение в теорию напряженно-деформированное состояние материала при резании

Рис. 98. Структура подпрограммы «Останов насоса»

Вопрос 4 Введение в теорию напряженно-деформированное состояние материала при резании

Подавляющее большинство исследователей считают, что деформированное состояние материала стружки соответствует простому сдвигу. Однако В.С. Кушнер, отмечал, что простой сдвиг описывает только механизм образования текстуры стружки, а не весь процесс деформации в зоне конечной ширины. Имеются также работы, в которых полагается, что процесс резания можно рассматривать как процесс последовательного пластического сжатия элементов стружки.

Исследования, приведенные А.А. Бриксом, Н.Н. Зоревым, Г.Л. Куфаревым, К.Б. Океновым, В.А. Говорухиным, Р.Б. Мартиросяном, В.Ф. Бобровым, М.И. Клушиным, Н.В. Талантовым, Ю.В. Федоровым показывают, что в общем случае процесс стружкообразования является результатом совестного действия сдвига и сжатия срезаемого слоя.

По данным Н.В. Талантова доля деформации сжатия на начальной границе стружкообразования может достигать 100% от общей деформации, уменьшаясь затем по мере приближения к конечной границе. Причем, чем больше участок упрочнения, тем большая доля принадлежит деформации сжатия.

Н.Н. Зоревым высказано предположение, что с увеличением сопротивления сдвигу роль деформаций сжатия в зоне стружкообразования возрастает.

Учет только сдвиговых деформаций при моделировании процесса резания не отражает реальных процессов протекающих при стружкообразовании и не позволяет получить качественного и количественного описания действительного напряженного состояния материала при обработке резанием.

Т.Н. Лопадзе, отметил, что теоретическое определение напряжений, действующих в зоне резания, представляет собой сложную задачу. В общем случае требуется удовлетворение уравнениям равновесия во всех точках деформируемой зоны, соблюдение граничных условий и выполнение условия пластичности.

В ряде случаев упрощения решения достигают путем допущения относительного характера распределения напряжений, либо на контактной поверхности, либо в направлении сдвига.

Наиболее распространенным допущением является постоянство касательный напряжений по плоскости сдвига. Например, В.Ф. Бобров считает, что касательные напряжения вдоль плоскости сдвига имеют постоянную величину, а нормальные напряжения являются переменными и могут даже менять знак у режущей кромки при больших значениях переднего угла и применении смазочно-охлаждающих жидкостей (рис. 1).

Незначительное изменение касательный напряжений и уменьшение нормального к плоскости сдвига напряжения у режущей кромки получил Г.Д. Дель при точении закаленной стали со скоростью 40-120 м/мин (рис. 2). Нормальные напряжения соизмеримы с касательными.

Рисунок 1 – Эпюры напряжений на плоскости сдвига

а б

Рисунок 2 – Эпюры напряжений на условной плоскости сдвига при обработке закаленных сталей: а) ; б)

Л.М. Седаков отмечает, что, несмотря на неоднородность напряженно-деформированного состояния в зоне стружкообразования величина максимальных касательных напряжений вблизи условной плоскости сдвигов является практически постоянной.

Б.Ф. Туркович, используя модель стружкообразования в виде одной плоскости сдвига, предположил, что плотность дислокаций в этой плоскости постоянна и равна 10¹² см^-2 независимо от материала. Соответственно следует вывод, что действующие в этой плоскости напряжения постоянны по всей длине плоскости.

В действительности, отмечает В.К. Старков количество подвижных дислокаций в пластически деформируемой зоне, и напряжения изменяются по некоторому закону, зависящему от факторов процесса резания

Согласно проведенных работ нормальные напряжения экспоненциально уменьшаются от максимального значения на режущей кромке до нуля в точке выхода стружки из контакта с резцом (рис. 3, а). Касательные напряжения остаются постоянными на некотором участке у режущей кромки, а затем уменьшаются аналогично нормальным напряжениям.

В работе В.А. Остафьева распределение напряжений на контактной поверхности режущего инструмента соответствует схеме, приведенной на рис. 3, б. Эпюры напряжений отличаются от предыдущих, отсутствием участка с постоянной величиной касательных напряжений.

В.Ф. Бобров приводит эпюры контактных напряжений, полученные методом разрезного резца. Закономерность изменения нормальных напряжений аналогична предыдущим эпюрам с максимумом на режущей кромке (рис. 3, в). Эпюра касательных контактных напряжений имеет экстремальный характер. По мере удаления от режущей кромки напряжения возрастают, достигают максимума, а затем уменьшаются до нуля в точке выхода стружки из контакта с резцом. Н.В. Талантов считает, что максимум касательных напряжений соответствует концу участка упрочнения.

Рисунок 3, г иллюстрирует распределения контактных напряжений, полученную М.Б. Гордоном. Эпюры нормальных и касательных напряжений имеют максимумы на некотором расстоянии от режущей кромки.

По мнению авторов Раррову и др эпюры напряжений на передней поверхности инструмента соответствует рис. 3, д. Согласно этой схеме, на определенной длине контакта нормальные и касательные напряжения имеют постоянную величину, а затем экспоненциально уменьшаются по мере приближения к месту отделения стружки.

Ю.В. Федоров исследуя скорости перемещения частиц срезаемого слоя в зоне стружкообразования, получил эпюры контактных нагрузок, приведенные на рис. 3, е. Нормальные нагрузки от наибольшего значения на режущей кромке уменьшается до нуля к концу контакта стружки с резцом. Касательные нагрузки имеют максимум на некотором расстоянии от режущей кромки и уменьшаются, как в точке выхода стружки из контакта с резцом, так и в направлении режущей кромки. Непосредственно у режущей кромки касательные напряжения меняют знак.

Анализируя эпюры, изображенные на рис. 3, е, С.Н. Матвеев соглашается с законом распределения касательных напряжений и отвергает наличие максимума нормальных напряжений на режущей кромке как не отвечающему условию сплошности материала. По его мнению, эпюры касательных и нормальных должны иметь характер, приведенный на рис. 3, ж. Касательные напряжения имеют максимум и меняют знак как в предыдущем случае. Нормальные напряжения имеют максимум на некотором удалении от режущей кромки и разрыв в точке изменения знака касательных напряжений.

На рис. 3, з по Мелихову и Утешеву контактных приведены эпюры напряжений при наличии скругления режущей кромки. В точке сопряжения передней поверхности с задней нормальные напряжения имеют максимум, а касательные меняют знак.

Рисунок 3 – Эпюры контактных напряжений: а) по Зореву; б) по Остафьеву; в) по Боброву; г) по Гордону; д) по Раррову и др.; е) по Федорову; ж) по Матвееву; з) по Мелихову и Утешеву.