3.2 Виды стружки и условия ее образования

Классификацию предложил И. А. Тиме: стружка сливная (а), скалывания или суставчатая (б), элементная (в), и надлома (г).

Рисунок 3.3 – Типы стружек

Стружка скалывания состоит из отдельных элементов. Поверхность стружки, контактирующая с передней поверхностью резца гладкая. Она образуется в результате обработки сталей и других пластичных материалов при большой толщине срезаемого слоя, относительно низкой скорости и небольшом переднем угле лезвия.

При уменьшении толщины среза, повышении скорости резания и увеличении переднего угла отдельные элементы стружки станут менее отчетливыми и будут сходить без зазубрин на ее внешней стороне (сливная стружка).

Если увеличить толщину среза, уменьшить скорость резания и передний угол g, отдельные элементы стружки будут менее связанными, то есть образуется элементная стружка. Эти три вида стружки получаются при обработке пластичных материалов.

В случае обработки хрупких материалов при большой толщине среза и больших углах g происходит вырывание или откалывание хрупких частиц металла неправильной формы.

Получаемая при этом стружка называется стружкой надлома. Она образуется при обработке чугуна, который плохо сопротивляется растяжению.

При больших углах g в срезаемом слое появляются напряжения отрыва, которые способствуют выламыванию кусков металла. Если увеличить скорость резания, при обработке чугуна образуется элементная стружка, а при очень высоких скоростях чугун дает сливную стружку, хотя по сравнению со стальной стружкой прочность ее низка.

Классификация И.А. Тиме не потеряла своего значения и в наше время, хотя и подверглась значительной конкретизации. Например: при обработке стали известно свыше 30 разновидностей стружки.

3.3 Механизмы образования стружки при свободном прямоугольном резании

Свободная поверхность стружки всегда неровная, обычно на ней заметны мелкие волны или зазубрины. Даже на прочной сливной стружке часто можно наблюдать трещины, разрывы. Поскольку полное описание механизма образования стружки сложно для анализа напряжений и деформаций при резании, реальный процесс стружкообразования заменяют его упрощенной моделью.

Не принимается во внимание искажение формы полученных листов реальной стружки и увеличение ее ширины; ее поперечное сечение представляют в виде прямоугольника с высотой, равной средней толщине стружки и шириной, равной первоначальной ширине резания.

Режущий клин действует на срезаемый слой толщиной а на контактной площадке шириной с. Сила R₁, с которой инструмент передней поверхностью давит на срезаемый слой получила название силы стружкообразования. Линия ОК разграничивает области сжимающих (слева от ОК) и растягивающих (справа от ОК) напряжений в обрабатываемом материале ниже поверхности резания.

Рисунок 3.4 – Зоны первичной и вторичной деформации при превращении срезаемого слоя в сливную стружку

Зона ОАВNО, расположенная перед передней поверхностью инструмента является зоной первичной деформации. Она имеет форму клина с вершиной, совпадающей с вершиной инструмента. Нижняя граница ОА зоны 1 вогнута и пересекает продолжение поверхности резания. По длине она в 2 - 4 раза больше выпуклой верхней границы ОВ зоны I. Обрабатываемая поверхность плавно сопрягается со свободной стороной стружки по линии АВ. Правее линии ОВ находятся зерна стружки, а левее линии ОА – недеформированные зерна материала срезаемого слоя. Зерно материала срезаемого слоя, перемещаясь относительно инструмента со скоростью v , проходит по траектории своего движения ( кривая FQ) и сильно деформируется. Деформация зерна заканчивается в точке Q, и оно приобретает скорость v_с ,равную скорости стружки.

Линией ОА показана поверхность сдвига (скольжение), на которой сдвигающие напряжения  равны пределу текучести _с материала на сдвиг, то есть  = _с. Вся зона ОАВNО делится на подобные поверхности, на каждой из которых сдвигающие напряжения равны пределу текучести материала, уже получившего упрочнение в результате предшествующей деформации.

Последняя деформация сдвига обозначается на рисунке линией ОВ. На ней сдвигающие напряжения  равны пределу текучести _с^ на сдвиг материала, окончательно упрочненного в результате превращения срезаемого слоя в стружку.

Деформирование срезаемого материала при этом было бы законченным, если бы отсутствовало трение между контактной поверхностью стружки и поверхностью инструмента. Поскольку трение между указанными поверхностями имеется всегда, зерна стружки, находящиеся в непосредственной близости от контактной поверхности стружки, продолжают деформироваться и после выхода их из зоны первичной деформации. Так возникает зона II вторичной деформации стружки, ограниченная передней поверхностью инструмента и линией ОNД. Ширина ОД этой зоны приблизительно равна половине ширины площадки контакта С, а максимальная ее толщина D₁ составляет примерно 0,1а_с.

Степень деформации зерен во II зоне может в 20 и более раз превышать среднюю деформацию стружки.

Размеры зоны вторичной деформации и степень деформации зерен в этой зоне определяются силами трения на контактных поверхностях стружки и инструмента. Чем меньше силы трения, тем меньше размеры зоны II и деформация в ней зерен. При уменьшении a, увеличении g и применении СОЖ с сильно выраженными смазочными свойствами зона II практически исчезает.

При g,a, v, используемых в производственных условиях, протяженность FQ первичной деформации резко сокращается, а ее границы ОА и ОВ сдвигаются, приближаясь к линии ОЕ, наклонной к плоскости резания под углом b . Это позволяет считать, что сдвиговые деформации локализуются в тонком слое толщиной Dx, а семейство плоскостей скольжения можно заменить единственной плоскостью ОЕ, называемой условно плоскостью сдвига. При этом процесс превращения срезаемого слоя в стружку можно представить как процесс последовательных сдвигов тонких слоев обрабатываемого материала вдоль условной плоскости сдвига.

При резании материалов средней пластичности на средних скоростях резания образуются стружки скалывания, при резании мягких пластичных материалов или тех же, но на больших скоростях резания образуются сливные стружки.

Процесс образования стружек скалывания происходит в описанной ниже последовательности (рисунок .).

Под действием силы Р резец внедряется в обрабатываемый материал и производит смятие его в каком-то объеме. По мере перемещения резца длина площадки смятия l_см увеличивается и на обрабатываемый материал, на его

элементарный объем - элемент будущей стружки, действует все большая возрастающая сила. Увеличение этой силы идет до тех пор, пока не произойдет скалывание элемента по плоскости 1-1 под углом b₁. Эта плоскость называется плоскостью скалывания, а угол b₁ - углом скалывания. Со стороны резца на элемент стружки действует сила Р_см :

s_см - предел прочности обрабатываемого материала на смятие,

b - ширина среза,

l_см - длина площадки смятия.

Элемент удерживается силой Р :

где t_ск - предел прочности обрабатываемого материала на сдвиг(скалывание),

а – толщина среза.

Для скалывания элемента необходимо, чтобы:

,

Отсюда видно, что размеры скалываемых элементов зависят от физико-механических свойств обрабатываемого материала, толщины среза, величины переднего угла и угла скалывания, величина которого сильно зависит от свойств внешней среды, в которой осуществляется резание.

Периодический характер образования стружки вызывает колебания силы резания, что делает процесс резания динамически неустойчивым.

Признаком стружек скалывания является наличие различимых на глаз крупных элементов. Скалывание элементов не приводит к разрушению металла, стружка представляет собой прочное тело из крепко соединенных друг с другом элементов.

Сливная стружка представляет собой сплошную ленту, в которой отдельные ее элементы не вооруженным глазом трудно различимы и не просматриваются. В отличие от процесса образования стружек скалывания, в сливных стружках деформация смятия происходит одновременно со сдвигом элементов. Как только произойдет его сдвиг, на плоскости сдвига металл упрочнится и элемент остановится, прекратит свое движение по плоскости скалывания. При остановке он снова сминается движущимся инструментом, площадка смятия у основания элемента увеличивается, сила Р_см становится больше Р_ск и элемент вновь сдвигается. И так происходит в течение всего времени образования стружки.

Процесс образования стружки здесь не заканчивается в зоне сдвига. При образовании сливных стружек процесс формирования их продолжается в течение всего времени движения по передней поверхности режущего инструмента.

При резании хрупких металлов образуются стружки надлома. Резец, внедряясь в металл, не сдвигает его, а сжимает и вырывает сжатый надломленный элемент. Разрушение идет по поверхности, произвольно охватывающей напряженную зону, поэтому обработанная поверхность получается неровной.