3. Явления, сопровождающие процесс резания металлов

3.1. Стружкообразование и контактные процессы

Характерная особенность процесса резания состоит, во-первых, в том, что кромки РИ срезают припуск слоями; во-вторых, физико-ме­ханические свойства поверхностных слоев, которые подвергаются пластическому деформированию и превращению в стружку, отлича­ются от свойств материала в глубине заготовки; в-третьих, в резуль­тате деформирования и разрушения материала срезаемого слоя про­исходит возникновение из монолитной массы двух новых поверхно­стей — одной на обрабатываемой заготовке, а другой — на срезанной стружке.

3.1.1. Процесс стружкообразования. Типы стружек

Впервые процесс образования стружки при резании металлов ис­следовал И.А. Тиме [68]. Он тщательно полировал боковую поверх­ность стального образца, с которого на строгальном станке с неболь­шой скоростью снимал стружку, и по изменению (потускнению) вида полированной поверхности судил о зоне пластической деформации, возникающей под действием резца (рис. 3.1).

При перемещении резца частицы металла сначала упруго сжима­ются (рис. ЗА, а). Затем наступает пластическая деформация, которая увеличивается до тех пор, пока не будет преодолена сила внутреннего сцепления частиц металла. В этот момент происходит скалывание элементов стружки и дальнейший их сдвиг в плоскости ВС (рис. 3.1, б). Такое же изменение претерпевает каждый из элементов 7...б(рис. 3.1, в). По наблюдениям И.А. Тиме, пластическая деформация рас­пространяется в зоне, ограниченной углом \|/, который он назвал уг­лом действий; угол (3i назван углом скалывания или углом сдвига, а плоскость ВС — плоскостью скалывания. Такой процесс образова­ния стружки относится к пластичным материалам, обрабатываемым с большой толщиной среза и при малом угле резания 8. 40

Рис. 3.1. Схема последовательности образования стальной стружки

в г

Рис. 3.2. Типы стружек

И.А. Тиме впервые дал классификацию стружек: сливная (рис. 3.2, а), скалывания, или суставчатая (рис. 3.2, б), элементная (рис. 3.2, в), надлома (рис. 3.2, г). Стружка скалывания состоит из отдельных элементов. Поверхность стружки, скользящая по передней поверхно­сти резца, гладкая. Образуется стружка скалывания в результате обра­ботки сталей и других пластичных материалов при большой толщине срезаемого слоя, относительно низкой скорости резания и неболь-

41

Рис. 3.3. Напряжения отры­ва стружки надлома при обработке чугуна

шом переднем угле. При уменьшении тол­щины среза, повышении скорости резания и увеличении переднего угла отдельные элементы стружки станут менее отчетли­выми и будут сходить без зазубрин внеш­ней стороны — получается сливная струж­ка.

Если увеличить толщину среза, умень­шить скорость резания и передний угол у, отдельные элементы стружки станут менее

связанными, т. е. образуется элементная стружка. Эти три вида стружки получаются при обработке пластичных металлов.

При больших толщинах среза и больших значениях угла у в случае обработки хрупких материалов происходит вырывание или откалы­вание крупных частиц металла неправильной формы — получается стружка надлома. Такая стружка имеет место при обработке чугуна, который плохо сопротивляется растяжению. При больших значениях угла у в срезаемом слое появляются значительные напряжения отры­ва <5у (рис. 3.3), под действием которых происходит выламывание кус­ков металла. Если увеличить скорость резания, то при обработке чу­гуна получится элементная стружка. При резании с высокими скоро­стями и чугун дает сливную стружку, которая легко разделяется на элементы по сравнению со сливной стальной стружкой, отличаю­щейся монолитностью и сравнительно высокой прочностью.

Таким образом, на образование стружки влияют скорость реза­ния, толщина среза, величина переднего угла, свойства обрабатывае­мого материала и другие факторы [43]. Наибольший интерес пред­ставляет стружка сливная, образующаяся при обработке стали с вы­сокими скоростями резания.

Опыты И.А. Тиме не выявили все детали процесса образования стружки. Первое уточнение было внесено Я.Г. Усачевым [71]. Он впервые применил металлографический метод для изучения процес­са стружкообразования: резание мгновенно прекращалось, стружка вместе с прилегающим металлом (или корень стружки) шлифовалась, полировалась, травилась, рассматривалась под микроскопом и фото­графировалась.

Хотя отдельные элементы стружки скалываются под углом pi, внутри каждого элемента сдвиг происходит под углом Рг (рис. 3.4). При этом Рг > Рь а разность углов Рг - Pi « 30°.

Почему элемент стружки отделяется в направлении ВС, не совпа­дающем с направлением деформаций -б^внутри элемента? Известно,

42

Рис. 3.4. Расположение плоскости сдвига

что пластическая деформация происходит по линиям скольжения до определенной ве­личины. После того как деформируемый материал претерпел значительное упрочне­ние, или наклеп, разрушение происходит не по линиям скольжения, а по так называе­мым линиям разрыва, которые являются огибающими линий скольжения.

Рис. 3.5. Поворот оси деформируемого кристалла в процессе резания

По мнению С.Ф. Глебова [16], линии скольжения ВК, наблюдаемые на шлифах корней стружки, являются линиями тексту­ры, т. е. линиями ориентации наибольших осей зерен металла, кото­рые в процессе перехода в стружку получают сдвиговую деформацию именно по плоскости скалывания. При этом зерно, имеющее вначале примерно форму сферы (рис. 3.5, а), постепенно превращается в эл­липсоид (рис. 3.5, б, в), большая ось которого составляет с плоско­стью скольжения угол Рг. На рис. 3.5, г, д, е показано изменение зерен в контактной зоне — текстурированный слой.

43

Рис. 3.6. Зона пластиче­ских деформаций

А.А. Брике в 1896 г. высказал мнение, что пластические сдвиги происходят в се­мействе плоскостей веерообразно, плоско­сти этих сдвигов проходят через лезвие ин­струмента. Н. Н. Зорев [25] подтвердил эту гипотезу. Процесс отделения срезаемого металла происходит в семействе поверхно­стей ВСС\ (рис. 3.6). Поверхность со следом ВС\ — граница между исходным металлом и металлом с более сильной деформацией.

Металл, находящийся под обработанной поверхностью, тоже получа­ется пластически деформированным, т. е. имеет место наклеп по­верхности, хотя степень деформации здесь значительно меньшая. Та­ким образом, линии разрушения являются не прямыми, а кривыми. Толщина зоны скалывания металла ВСС\ равна сотым, иногда деся­тым долям миллиметра. Из-за небольшой величины этой зоны ее ус­ловно заменяют одной плоскостью ВС (рис. 3.7, а) или ломаной ли­нией ВВ\ С (рис. 3.7, б). Граница между деформированным металлом образуемой стружки и основным металлом проходит при достаточно толстых стружках по кривой линии, которая для упрощения также может быть принята в виде ломаной линии ВВ\ С. Сливная стружка представляет собой сплошную ленту, отдельные элементы которой трудно заметить. Слои металла, скользящие по резцу, как бы изгиба­ются в направлении, обратном перемещению стружки. Причина ис­кривления заключается в создании большого трения между стружкой и передней поверхностью режущего инструмента.

а б

Рис. 3.7. Упрощенное изображение зоны пластических деформаций

Таким образом, в стружке отмечаются два направления пластиче­ской деформации. Первое — под углом (Зг (см. рис. 3.4), второе — вдоль передней поверхности резца (зона «вторичной» деформации). Толщина зоны «вторичной» деформации невелика и составляет ме­нее 10 % толщины стружки. Расстояние между зернами в этом слое в

44

30...40 раз меньше, чем расстояние между зернами в недеформированном металле.

В результате дополнительной деформации металл стружки полу­чает значительное упрочнение. Твердость его возрастает в 1,5...2 раза по отношению к твердости исходного материала: чем ближе к перед­ней поверхности, тем выше твердость. На некоторой длине стружка контактирует с инструментом, а затем отклоняется от него и завива­ется. При увеличении скорости резания радиус завивания стружки увеличивается (при и > 100 м/мин г=оо).

Каждый из элементов стружки (см. рис. 3.4) подвергается не толь­ко сдвигу, но и сжатию. Деформацию сдвига можно считать равно­мерной, а деформацию сжатия — неравномерной. Сильнее сжимает­ся та часть стружки, которая примыкает к передней поверхности рез­ца, поэтому отдельные элементы стружки имеют форму трапеции, причем большее основание трапеции находится возле передней по­верхности резца, что и приводит к завиванию стружки.

Таким образом, в соответствии с представлениями И.А. Тиме процесс перехода срезаемого металла в стружку состоит в последова­тельных сдвигах слоев металла в направлении, которое определяется углом Pi, причем переходу элемента срезаемого слоя в элемент струж­ки способствует его пластическая деформация [78].