Стружкообразование при резании

 

Процесс образования и типы стружки. И. А. Тиме в 1868 г. в результате опытов строгания стали и других материалов с малыми скоростями рас­членил процесс образования, стружки на три момента. В первый момент в начале резания происходит соприкосновение резца с деталью (рис. 11,а), в материале возникают упругие деформации (рис. 11,6). Затем резец своей кромкой вдавливается в металл (рис. 11,в), вызывая его пластическую де­формацию. В течение второго момента резец врезается на всю глубину срезаемого слоя и происходит дальнейшая деформация материала в зоне, ограниченной передней поверхностью резца и плоскостью Г — Г, прове­денной наклонно через вершину резца под углом β' к передней поверхно­сти резца (рис. 11,в). Угол β' И. А. Тиме назвал углом действия, а пло­скость Г—Г — плоскостью скалывания. За пределами этой зоны он не обнаружил невооруженным глазом следов деформации (матовой поверхно­сти) на полированной поверхности образца. Угол β₁ был назван углом скалывания.

Рис. 11. Последовательность образования элементов стружки (по II. А. Тиме)

 

В третий момент, когда напряжение в зоне утла β' достигает определен­ного предела, происходит скалывание материала по упомянутой плоскости скалывания (рис. 11,г) и образуется первый элемент стружки. Повторение процесса ведет к образованию 2-го, 3-го и т. д. элементов стружки (рис. 11, д).

Я. Г. Усачев применил металлографический метод исследования струж­ки и объяснил почему ее разрушение при изгибе происходит не по плоско­стям скалывания Г—Г (рис. 12), а под некоторым углом β к ней. Угол между плоскостями Г—Г и В—В обычно близок к 30° у пластичных и к нулю у хрупких материалов. Плоскость В—В называется плоскостью скольжения: по ней происходит как бы скольжение деформированных зе­рен. При травлении шлифа боковой поверхности стружки на нем про­является так называемая текстура — рисунок в виде вытянутых темных ли­ний, которые образуются на наиболее деформированных кристаллах, зернах металла.

Основные представления о процессе стружкообразования расширены работами ряда советских ученых (С. Ф. Глебов, В. Д. Кузнецов, В. А. Кривоухов, Н. Н. Зорев, В. Ф. Бобров и др.) и зарубежных (М. Мерчант, Г. Эрнст, М. Кроненберг и др.).

С. Ф. Глебов в 1949 г. предложил модель деформации частиц металла при образовании сливной стружки (рис. 13). В очень узкой полосе (шири­ной около 0,1 мм) вдоль плоскости скалывания происходит «вытягивание» круглых зерен металла в эллипсы, большая ось которых направлена по плоскости скольжения. Зерна металла, находящиеся в контакте с резцом, срезаются, верхушки несрезанных зерен сминаются, в результате чего про­исходит упрочнение поверхностного слоя металла — наклеп. Это не един­ственная модель образования стружки.

Рис. 12. Взаимное положение плоскостей скалывания и скольжения при образовании стружки

Рис. 13. Модель деформации металла при образовании сливной стружки (по С. Ф. Глебову и II. Н. Зореву)

А. Л. Брикс в 1896 г. предположил, что пластические сдвиги в зоне реза­ния происходят не по одной, а немногим плоскостям, проходящим вееро­образно через вершину резца (рис. 14). Н. Н. Зорев на базе этой гипотезы дал аналитическое решение для нахождения ряда характеристик процесса резания: усадки, сил и работы деформации, угла направления текстуры и др.

Процесс стружкообразования протекает при весьма значительной отно­сительной деформации материала, с высокой скоростью деформации в сравнительно небольшой зоне. И. А. Тиме дал поныне действующую классификацию стружек, разделив их на сливную, скалывания и надлома (рис. 13).

Сливная стружка получается при обработке вязких материалов, при малых толщинах, больших передних углах и скоростях резания. Наружная прирезцовая сторона сливной стружки гладкая, блестящая, внутренняя сто­рона — матовая, с множеством мелких зазубрин.

Стружка скалывания получается при обработке материала средней твердости и твердого при больших толщинах, малых передних углах и скоростях резания. Наружная сторона стружки скалывания гладкая, бле­стящая, внутренняя сторона — в крупных зазубринах. Ясно видны от­дельные элементы стружки.

Стружка надлома образуется при обработке хрупких материалов. Ее внутренняя (вогнутая) поверхность гладкая, а внешняя (выпуклая) неровная. Чаще всего эта стружка состоит из раздельных кусков (рис. 15,в). Сливная стружка — один из видов стружки скалывания с неполной деформацией.

 

 

 

 

Рис. 14. Линии скольжения в зоне резания

 

В условиях производства важную роль играет вид стружки, ее безопас­ность для рабочего, простота удаления из зоны обработки на станке. При резании пластичных материалов необходимо принимать меры, обеспечи­вающие завивание и ломание стружки. К ним относятся оптимальные гео­метрия инструмента и режим резания, периодическое изменение подачи, наложение колебательного движения на подачу инструмента.

 

Рис. 16. Стружколоматели и стружкозавиватели:

а — накладное устройство; б — поро­жек; в — лунка

 

Оптимальной стружкой в массовом производстве считают цилин­дрическую или коническую спираль в виде отрезков длиной 30-80 мм при диаметре до 15 мм. Оценки оптимальных размеров и вида стружки зави­сят от конструкции станка, степени защищенности зоны резания, системы транспортирования стружки, возможности помех закреплению и базирова­нию заготовок, наматывания стружки на вращающиеся элементы станка, степени наблюдения за работой станка (станков, автоматической линии).

Резцы выполняются с накладными стружколомателями или стружкозавивателями (рис. 16,а), с заточенными стружколомательными и стружкозавивательными порожками (рис. 16,б), лунками (рис. 16,в) и др.

Усадка и наростообразование при резании. И. А. Тиме отметил, что дли­на стружки всегда значительно меньше длины пути, проходимого резцом. При этом стружка, утолщаясь, остается примерно той же ширины. Ученый объяснил это явление исключительно относительным перемещением эле­ментов при образовании стружек. По Тиме, усадка численно характери­зуется коэффициентом продольной усадки (рис. 17, а).

 

 

Рис. 17. Влияние элементов режима резания, геометрии резца и условий резания на усадку стружки:

а —схема усадки стружки; б — влияние режимов резания и геометрия резца при обработке стали 45 с t = 2 мм s= 0,15 мм/об; в —влияние угла резания и СОЖ на обра­ботку меди при толщине срезаемого слоя 0,2 мм (1 — с СОЖ; 2 - без СОЖ); г — влияние подачи

 

 

Рис. 18. Нарост при резании пластичных материалов:

а – строение нароста; б – застойная зона 2 пол пуансоном 1;

в – высота нароста при резании материалов А и Б

 

или коэффициентом поперечной усадки (утолщения стружки)

где L0 - длина стружки; L1 - путь резца; ас - толщина стружки; a - толщина срезаемого слоя. Полагают, что k1 = k2, так как значительного уширения срезаемого слоя не наблюдается.

Иногда используется термин «ycaдкa»

Коэффициент усадки (по Тиме). Известны материалы с k1 = 0,2 и даже k1 = 0,15.

 

Усадка характеризует степень деформации при резании, т. е. является вeсьмa универсальным показателем процесса резания: при отрицательных:

передних углах усадка больше, чем при положительных (рис. 17,6), применение смазывающе-охлаждающей жидкости (СОЖ) облегчает процесс стружкообразования (рис. 17,6), тонкие стружки (малые s) требуют больших удельных сил деформации (рис. 17,г) и т. п.

При обработке пластичных материалов на передней поверхности резца образуется так называемый нарост - застойное накопление материала заготовки. «Привариваясь» к передней поверхности резца, нарост предохраняет режущую кромку от непосредственного механического воздействия стружки и заготовки. Основная часть нароста уходит со стружкой (рис.18,а), а небольшая часть может оставаться на обработанной поверхности.

Первые исследования нароста были проведены Я. Г. Усачевым, который для изучения его строения применил металлографический метод. Ученый провел аналогию с работой пуансона, впереди которого при его движении образуется застойная зона (рис. 18,6), облегчающая его проникновение в глубь заготовки. Металл в застойной зоне имеет повышенную твердость и продвигается вместе с пуансоном.

Рис. 19. Параметры профиля поверхности (по ГОСТ 2789-73)

 

Условия работы резца отличаются от условий работы пуансона лишь в деталях. При резании пластичных материалов могут быть получены Г-образные кривые (рис.18,в) со сдвигом наибольшей высоты нароста hH в диапазоне скоростей резания 0,3 – 0,5 м/с. Это позволяет, выбирая соответствующую зону скоростей, избежать вредного влияния нароста, повысить эффективность обработки, снизить шероховатость обработанной поверхности, улучшить качество поверхностного слоя и др.

Качество образованного при резании поверхностного слоя характеризуется геометрическими показателями (шероховатость, волнистость поверхности) и физико-механическими показателями (знак и; величина напряжений, структура металла, степень и глубина наклепа и т. п.).

В соответствии с ГОСТ 2789 - 73 шероховатостью поверхности назовём совокупность выступов и впадин поверхности с относительно малыми шагами S на базовой длине l. Шероховатость может оцениваться на базовых длинах 0,08; 0,25; 0,8; 2,5; 8 мм, причем для более грубых поверхностей принимаются большие базовые длины. В нормальном сечении поверхностного слоя может быть получен профиль (рис. 19), по параметрам которого Rz, Rmax и Ra может характеризоваться шероховатость. Большую и весьма малую шероховатости оценивают параметром Rz – высотой неровностей профиля по десяти точкам, т. е. суммой средних арифметических абсолютных отклонений точек пяти наибольших минимумов Нi min и пяти наибольших максимумов профиля Н; шах в пределах базовой длины:

Шероховатости иной величины рекомендуется оценивать параметром

Ra – средним арифметическим отклонением профиля:

где у - отклонение профиля в системе отсчета, включающей среднюю линию профиля m.

Рис. 20. Схема образования поверхности: а – обтекание кромки резца металлом и стружкой; б – эпюра твёрдости HV по глубине заготовки

Наибольшая высота неровностей профиля R mах находится между линиями выступов и впадин в пределах базовой длины.

 

 

Для объяснения возникновения наклепа рассмотрим упрощенную модель образования новой поверхности в результате упругопластического деформирования детали (рис. 20,а). Режущий клин имеет в действительности скругление радиусом ρ. Слои заготовки, лежащие выше точки А, идут в стружку, а слои ниже точки А подвергаются дополнительному упругому деформированию, в результате чего под задней поверхностью резца происходит упругое восстановление поверхности на величину h_упр. На рис. 20,б представлена эпюра микротвердости, построенная по глубине заготовки. Поверхностное увеличение микротвердости известно под названием наклепа и характеризуется его глубиной h_накл и степенью iH;

где HV – микротвердость соответственно поверхностного слоя и исходного материала. Степень наклепа может достигать величины 3 – 7.

Остаточные напряжения после резания изменяются по глубине поверхностного слоя непрерывно по величине и знаку. В будущем, очевидно, будет возможно обеспечивать определенную эпюру напряжений в поверхностном слое, его чистоту от включений материала режущей части и другие качества.