Процесс резания

Изучение существа физических явлений, происходящих при резании металлов, имеет важное практическое значение, позволяет выяснить, в каких условиях работает режущий инструмент, какие силы и температуры на него действуют, как они зависят от геометрии инструмента, элементов режима резания, свойств обрабатываемого материала, какие причины оказывают влияние на шероховатость обработанной поверхности и качество поверхностного слоя.

Знание закономерностей процесса резания позволяет уверенно выбирать наиболее выгодный для обработки заданной заготовки инструментальный материал, геометрию инструмента, режим резания, обеспечивающие наиболее высокую производительность труда и экономичное изготовление деталей требуемого качества.

В процессе резания металлов происходит упругая и пластическая деформации, а также разрушение материала.

Упругой (обратимой) деформацией называют такую деформацию, когда при приложении нагрузки материал изменяет свою форму, а после снятия нагрузки вновь ее восстанавливает.

Нагретый металл хорошо поддается обработке давлением. Под ударами молота, под давлением пресса стальные заготовки приобретают нужную форму. Эта форма детали не изменится и после того, как прекратится давление на деталь. Произошла необ­ратимая пластическая деформации.

Но часто происходит и другое явление — разрушение материала. Разрушение материала без пластической деформации называют хрупким разрушением. К числу хрупких относится такой широко распространенный металл, как чугун. Разрушение материала может происходить и при пластической деформации. Растягивая кусок мягкой проволоки, видим, что она вначале ста­новится тоньше и длиннее, а затем разрывается — разрушается. В этом случае разрушение материала наступает как результат пластической деформации.

При обработке пластичных металлов инструмент в момент начала врезания в заготовку вызывает упругие деформации металла, которые по достижении предела упругости переходят в пластические. В ходе пластической деформации срезаемый слой сжимается инструментом, а затем, когда напряжения превысят предел прочности, отделяется от основного металла в виде элемента стружки. При дальнейшем движении инструмент деформирует следующую часть срезаемого слоя, образующего новый элемент стружки, и т. д. Практически образование нового элемента стружки начи­нается до полного отделения предыдущего элемента. Это значит, что в срезаемом слое одновременно происходит упругая и пласти­ческая деформации и разрушение металла.

При обработке металлов, находящихся в хрупком состоянии, отделение срезаемого слоя происходит иначе. Вслед за упругой деформацией следует хрупкое разрушение. Вместо элементов определенной формы, образующих стружку при резании пластич­ных металлов, металл отделяется инструментом в виде кусочков беспорядочной формы, причем поверхность разрушения часто оказывается под поверхностью резания. Такую стружку называют стружкой надлома. Стружку, образующуюся при резании пластичных металлов в виде отдельных, не связанных между собой, но имеющих определенную упорядоченную форму элементов, называют элементной стружкой.

Элементная стружка образуется при резании с малыми ско­ростями. При увеличении скорости резания не успевает происхо­дить полное отделение каждого элемента стружки, и они остаются связанными между собой. Такая стружка называется стружкой скалывания, или суставчатой. Если скорость резания продол­жать увеличивать, взаимное смещение элементов стружки еще уменьшается и она приобретает вид ленты с очень мелкими зазубринами; это — сливная стружка.

Рисунок 2 - Деформация металла:

а — пуансоном в режущим инструментом; б — схема линии скольжения; в — микрофо­тография; г — схема стружкообразования; д — угол сдвига и усадка стружки при малом угле резания; е — угол сдвига в усадка стружки при большом угле резания

Рассмотрим теперь более подробно процесс деформирования срезаемого слоя режущим инструментом. Можно представить себе процесс резания пластичного металла, сравнивая его с вдав­ливанием пуансона при обработке давлением (рис. 2, а). При вдавливании пуансона в пластичный металл, когда напряжение достигает предела текучести, в нем происходят местные сдвиги, причем они обнаруживаются при появлении линий скольжения, представляющих собой следы относительных сдвигов частиц металла. Установлено, что положение линий скольжения при пла­стической деформации можно представить в виде сетки логарифми­ческих спиралей, показывающих, в каком направлении сдвигаются зерна металла (на рис. 2, а эти направления показаны стрел­ками). Подобную схему можно построить и для обработки ме­талла резанием. Под действием режущего инструмента в срезае­мом слое происходит сдвиг частиц металла в направлениях, соот­ветствующих линиям скольжения (рис. 2, б).. При этом сдвиг частиц металла будет происходить в направлении наименьшего сопротивления, т. е. в сторону обрабатываемой поверхности. Впереди резца образуется деформированная зона, ограниченная изогнутой поверхностью сдвига (линия OA на рис. 2, б). Под действием режущего инструмента срезаемый слой деформируется до тех пор, пока напряжение в деформированной зоне не достигнет предела прочности; в этот момент происходит сдвиг образованного элемента стружки, отделение его от основного металла.

В сливной стружке отдельные элементы не успевают образоваться, и она сходит сплошной лентой (рис. 2, в). Вблизи перед­ней поверхности инструмента в стружке образуется заторможен­ный слой, отличающийся по своему строению от остальной стружки (рис. 2, в). Это происходит из-за большого давления и возникаю­щей при этом силы трения.

Из рис. 2, б следует, что деформация охватывает не только слойметалла, уходящий в стружку, но и распространяется под поверхностью резания, создавая в ней соответствующие напряже­ния и вызывая упругую и пластическую деформации. После про­хода режущей кромки обработанная поверхность частично упруго восстанавливается и, воздействуя на заднюю поверхность инстру­мента, создает значительную силу трения.

Представим теперь в целом принципиальную схему деформации обрабатываемого металла (рис. 2, г).

Под действием режущего инструмента обрабатываемый материал претерпевает упругую и пластическую деформацию. Пла­стическая деформация зерен металла распространяется в направ­лении линий скольжения. Часть срезаемого слоя, ограниченная поверхностью сдвига, удаляется в стружку. Одновременно про­исходит деформация подповерхностью резания, обрабатываемый металл получает упрочнение (наклеп).

В результате наклепа твердость поверхностного слоя металла возрастает в среднем в 1,5—2 раза. Особенно велика интенсивность наклепа при резании нержавеющих и марганцовистых сталей; чем больше наклеп, тем труднее металл обрабатывать.

Вследствие давления срезаемого слоя на переднюю поверхность инструмента и упругого восстановления металла со стороны поверхности резания возникают большие силы трения на передней и задней поверхностях инструмента, которые интенсивно изна­шиваются.

В слое металла вблизи передней поверхности образуются заторможенные слои, перемещающиеся со скоростью, меньшей, чем скорость сходящей стружки. При определенных условиях часть этого слоя, находящаяся в непосредственной близости к режу­щей кромке, может образовать нарост. Нарост изменяет форму режущей кромки и условия протекания процесса резания.

В результате трения по задней поверхности инструмента в обработанной поверхности могут возникать значительные растягивающие напряжения. Работа, затрачиваемая на деформирование обрабатываемого материала и трение между инструментом и заготовкой, переходит в теплоту. В зоне резания образуется большое коли­чества теплоты, часть которой удаляется со стружкой, часть вы­зывает нагревание заготовки, удаляется в окружающую среду, значительная часть теплоты переходит в инструмент, нагревая его до высокой температуры.

Сопротивление металла резанию, силы трения, температуры в зоне резания и другие явления сильно зависят от способностей материала заготовки к пластической деформации. Зону пласти­ческой деформации при резании условно выделяют двумя границами (см. рис. 2, г): начальной OA и конечной ОБ. Начальная зона характеризует положение поверхности сдвига. Для простоты эту границу считают прямой и называют линией сдвига. Соответственно угол между линией сдвига и поверхностью резания на­зывают углом сдвига или условным углом сдвига. Кристалли­ческие зерна материала, уходящего в стружку, деформируются и получают упорядоченную ориентацию, так называемую текстуру, располагаясь в параллельных плоскостях под углом к поверхности сдвига. Этот угол (рис. 2, г) называют углом текстуры. Угол текстуры зависит от свойств обрабатываемого материала и условий резания. Его величина определяет границу, где в основном заканчивается пластическая деформация металла, уходящего в стружку; поэтому линию ОБ считают конечной границей зоны стружкообразования.

В процессе резания толщина стружки ах получается больше толщины срезаемого слоя а. Это явление называют усадкой стружки.

Из теории пластической деформации известно, что объем тела после деформации остается практически неизменным; поэтому стружка, увеличиваясь по толщине, должна укорачиваться по сравнению с длиной обработанной поверхности. Кроме толщины изменяется еще и ширина стружки — происходит усадка по ширине стружки. Так как усадка является результатом пластической деформации, по величине усадки можно судить о степени пластической деформации, а значит, о силе сопротивления металла ре­занию, силе трения и о других важных показателях процесса.

Из сказанного выше ясно, что усадка стружки должна быть тем больше, чем меньше угол сдвига. Следовательно, по величине угла сдвига можно косвенно судить о сопротивлении металла заготовки пластической деформации. Величина угла сдвига зависит от ряда факторов и, в частности, от величины угла резания (рис. 2, д, е). При увеличении угла резания угол сдвига умень­шается, возрастаем усадка и сопротивление металла резанию. Уменьшая угол резания, снижают нагрузку на инструмент. Так, например, уменьшая угол резания с 90 до 80°, можно снизить сопротивление металла резанию (силу резания) примерно на 20%.

Следовательно, всегда, когда это допустимо по прочности инструмента, следует применять малые углы резания, т. е. положительные передние углы.

Очевидно, что при увеличении скорости резания возрастает объем металла, деформируемый в единицу времени, а следова­тельно, количество образующейся теплоты и температура в зоне резания. Это явление можно использовать для повышения про­изводительности процессов обработки металлов резанием. Привысоких температурах изменяются физико-механические свой­ства обрабатываемого металла, облегчается отделение срезаемого слоя. Одновременно с этим изменяются и свойства инструментального материала, уменьшается его твердость. Однако при увели­чении температуры твердость инструмента обычно снижается мед­леннее, чем твердость заготовки, и это позволяет работать на вы­соких скоростях резания.

Используя твердосплавный инструмент, который сохраняет высокие режущие способности при температурах 800—1000° С, работают на скоростях резания 100—200 м/мин и более. А при резании современных труднообрабатываемых материалов, которые в обычных условиях с трудом обрабатывают даже твердосплав­ным инструментом, часто применяют различные способы специаль­ного подогрева зоны резания. Все сказанное о физических явле­ниях относится к любому процессу резания.

Фрезерование, так же как строгание и некоторые другие виды обработки, является прерывистым процессом, который более сложен, чем непрерывный.

В момент врезания зуба фрезы в заготовку происходит почти мгновенное увеличение силы сопротивления резанию, металл в зоне резания нагревается. После выхода зуба фрезы из металла следует быстрое охлаждение зуба. Затем снова повторяется ударное нагружение, почти мгновенный скачок температуры и т. д. Условия работы инструмента, особенно твердосплавного, суще­ственно усложняются. Резкие колебания силы резания и темпера­туры могут вызывать выкрашивание или поломку твердосплавного инструмента.