Резание как процесс последовательного деформировании срезаемого слоя металла

Металлы в твердом состоянии являются поликристаллическими телами, имеющими зернистую (полиэдрическую) структуру с определенной кристаллической решеткой. При резании металлов и их сплавов отдельные кристаллы деформируются, а затем разрушаются по кристаллографическим плоскостям.

Процесс резания металла можно представить следующей схемой. В начальный момент, когда движущийся резец под действием силы Р вдавливается в металл (рис. 43), в срезаемом слои возникают упругие деформации. При дальнейшем движении резца упругие деформации, накапливаясь по абсолютной величине, пе­реходят в пластические. В материале заготовки возникает сложное упругопапряженное состояние. В плоскости, совпадающей с тра­екторией движения вершины резца, возникают касательные τх и нормальные напряжения σу. Величина τх имеет наибольшее значение в точке А приложения действующей силы, а по мере удаления от нее уменьшает­ся до нуля.

Рис. 43. Схема упругонапряженного состояния металла при обработке резанием.

Нормальные напряжения σу вначале действуют как растягивающие (+σу), что при определенных условиях может вызвать «раскалыва­ние» металла – опережающую трещину в направлении при­ложения внешней силы. На­пряжения σу имеют наиболь­шее значение в точке А, а затем быстро уменьшаются и, переходя через нуль, превращают­ся в напряжения сжатия (–σу ).

Срезаемый слой металла находится под воздействием давления резца, касательных и нормальных напряжений, и сложное упруго-напряженное состояние металла переходит в пластическую дефор­мацию. Возрастание пластической деформации приводит к сдвиговым деформациям – смещению частей; кристаллов относительно друг друга.

Наибольшие пластические деформа­ции возникают в зоне стружкообразования ABC (рис. 43). Зона деформи­рования (стружкообразования) ограни­чивается линией АВ, вдоль которой происходят первые сдвиговые деформа­ции, и линией АС, вдоль которой про­исходят последние сдвиговые деформа­ции.

Сдвиговые деформации вызывают скольжение отдельных частей зерен по кристаллографическим плоскостям (плоскостям скольжений) в определенных направлениях. Плоскости скольжения, возникаю­щие вследствие необратимого перемещения атомов, дробят зерна на отдельные части (пластины), которые в процессе деформации повертываются в определенном направлении по отношению к дей­ствующей силе. Зерна вытягиваются, располагаются цепочками; кроме того, упрочняется металл (рис. 44).

Рис. 44. Схема процесса образования стружки

В момент, когда пластические деформации достигнут наиболь­шей величины, а напряжения превысят силы внутреннего сцепле­ния зерен металла, зерна смещаются относительно друг друга и скалывается элементарный объем металла 1 (рис. 44). Далее процесс деформирования повторяется, скалываются следующий элементарные объемы металла 2, 3 и т. д. и образуется стружки.

При больших скоростях резания считают, что сдвиговые дефор­мации происходят не по линиям АВ и АС, а по одной плоскости – плоскости сдвига 00 (см. рис. 34). Наличие такой плоскости было впервые установлено русским ученым И. А. Тиме, а мате­матическое обоснование положения этой плоскости в простран­стве дано проф. К. А. Зворыкиным. Плоскость сдвига 00 распо­лагается под углом θ к направлению движения резца. Этот угол называют углом сдвига.

Срезаемый слой, деформированный в зоне стружкообразования, превратившись в стружку, подвергается дополнительной деформации вследствие трения стружки о переднюю поверхность инструмента, что окончательно формирует структуру в виде вытяну­тых зерен. Зерна вытягиваются по плоскости О1О1 которая со­ставляет с плоскостью сдвига 00 угол β (рис. 44).

Таким образом, резание — это процесс последовательного доформирования срезаемого слоя металла: упругого, пластического разрушения.

Характер деформации зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, геометрии инструмента, режимов резания, условий обработки. Наибольшее значение в процессе резания пластичных материалов (сталей средней твердости) имеют пластическая деформация. У хрупких металлов пластическая деформация практически отсутствует.

Для сталей средней твердости положение плоскости сдвига 00 в пространстве практически постоянно (угол θ 30°). Угол зависит от свойств обрабатываемого материала и угла резании (δ = 90° – γ) режущего инструмента и составляет 0 – 30°. При резании хрупких металлов угол β меньше (близок к нулю), при резании пластичных металлов β доходит до 30°.

Стружкообразование — сложный физико-механический процесс доформирования металла, на который влияют многие факторы. Знание законом пластического деформирования и явлений, сопровождающих процесс резания, позволяет найти пути повышения качества обработанных поверхности дегалей машин, их надежности, износостойкости, снижения мощности резания и т. д.