ЗАНЯТИЕ 22

ЛЕКЦИЯ 13

Тема 3.3. Физические явления при токарной обработке

Резание металлов - сложный процесс взаимодействия режущего инструмента и заготовки, сопровождающийся определенными физическими явлениями, например деформированием срезаемого слоя металла. Упрощенно процесс резания можно представить по следующей схеме. В начальный момент процесса резания, когда движущийся резец под действием силы резания Р (рис. 3.3.1) вдавливается в металл, в срезаемом слое возникают упругие деформации. При движении резца они, накапливаясь по абсолютной величине, переходят в пластические. В прирезцовом срезаемом слое материала заготовки возникает сложное упругонапряженное состояние. В плоскости, перпендикулярной к траектории движения резца, возникают

Рис 3.3.1. Упругонапряженное состояние металла при обработке резанием

нормальные напряжения σ_у, а в плоскости, совпадающей с траекторией движения резца, - касательные напряжения τ_х. В точке приложения действующей силы значение τ_х наибольшее. По мере удаления от точки А τ_х уменьшается. Нормальные напряжения σ_у вначале действуют как растягивающие, затем они уменьшаются и, переходя через нуль, превращаются в напряжения сжатия. Срезаемый слой металла находится под действием давления резца, касательных и нормальных напряжений.

Сложное упругонапряженное состояние металла приводит к пластической деформации, а рост ее - к сдвиговым деформациям, т.е. к смещению частей кристаллитов относительно друг друга. Сдвиговые деформации происходят в зоне стружкообразования ABC, причем деформации начинаются по плоскости АВ и заканчиваются по плоскости АС, в которой завершается разрушение кристаллитов, т.е. скалывается элементарный объем металла и образуется стружка. Далее процесс повторяется и образуется следующий элемент стружки.

Условно считают, что сдвиговые деформации происходят по плоскости ОО, которую называют плоскостью сдвига. Она располагается под углом θ ≈ 30° к направлению движения резца. Угол θ называют углом сдвига. Наличие поверхности сдвига в процессе стружкообразования и положение ее в пространстве установлены русскими учеными И. А. Тиме и К. А. Зворыкиным. Срезанный слой металла дополнительно деформируется вследствие трения стружки о переднюю поверхность инструмента. Структуры металла зоны АБС и стружки резко отличаются от структуры основного металла. В зоне ABC расположены деформированные и разрушенные кристаллиты, сильно измельченные и вытянутые в цепочки в одном, вполне определенном направлении, совпадающем с направлением плоскости 0₁0₁, которая с плоскостью сдвига составляет угол β (рис. 3.3.2).

Рис.3.3.2. Схема процесса образования стружки

Характер деформирования срезаемого слоя зависит от физико-механических свойств материала обрабатываемой заготовки, геометрии инструмента, режима резания, условий обработки. В процессе резания заготовок из пластичных металлов и сталей средней твердости превалирует пластическая деформация. У хрупких металлов пластическая деформация практически отсутствует. Поэтому при обработке хрупких металлов угол β близок к нулю, а при обработке пластичных металлов βдоходит до 30°, что свидетельствует о сложном внутреннем процессе деформирования кристаллитов и формировании новой структуры. Знание законов пластического деформирования и явлений, сопровождающих процесс резания, позволяет повысить качество обработанных поверхностей деталей машин и их надежность.

При резании металлов образуется стружка сливная, суставчатая или элементная. Сливная стружка, появляющаяпри резании пластичных металлов, представляет собой сплошную ленту с гладкой прирезцовой стороной. На внешней стороне ее видны слабые пилообразные зазубрины. Стружка суставчатая, образующаяся при резании металлов средней твердости, представляет собой ленту с гладкой прирезцовой стороной, на внешней стороне - ярко выраженные зазубрины. Стружка элементная образуется при резании хрупких металлов и состоит из отдельных, не связанных между собой элементов. Вид образующейся стружки зависит от физико-механических свойств металла обрабатываемой заготовки, режима резания, геометрических параметров режущего инструмента, применяемых в процессе резания смазочно-охлаждающих средств.

Вид образующей стружки влияет на износ режущего инструмента, шероховатость обработанной поверхности, силу резания, конструкцию инструмента. От вида стружки зависит возможность ее автоматического отвода из зоны резания и транспортирования. Особые проблемы отвода и транспортирования стружки из зоны резания возникают при обработке заготовок на станках с ЧПУ в условиях ГПС. Станки с ЧПУ оснащаются специальными транспортными системами (шнековыми, скребковыми), что в ряде случаев вызывает перекомпоновку узлов станков и ГПС.

Чтобы перевести стружку из одного состояния в другое, например стружку суставчатую в элементную, в конструкции режущего инструмента вводят стружколомательные устройства, пороги, разделительные канавки. Иногда применяют прерывистый процесс резания, например при сверлении отверстий на станках с ЧПУ, или вибрационное резание материалов. Кроме того, стружка в процессе обработки заготовки может забиваться в ее полости, оставаться в отверстиях. Для удаления стружки из заготовок в линиях ГПС приходится встраивать специальные автоматические моечные машины. Однако все эти мероприятия полностью не решают проблем удаления стружки из заготовок и со станка, ее транспортирования и дальнейшей переработки.

Стружка, образующаяся в процессе резания, подвергается значительному пластическому деформированию, в результате которого происходят ее укорочение и утолщение. Эти изменения стружки состоят в том, что длина стружки оказывается меньше длины обработанной поверхности, а толщина - больше толщины среза. Изменение размеров стружки характеризуется коэффициентами укорочения и утолщения (Ki и К_а).

Чем пластичнее металл заготовки, тем больше значение коэффициента K_i стружки. Для заготовок из хрупких металлов K_i близко к 1, а для заготовок из пластичных металлов K_i доходит до 5 ... 7. Величины укорочения и утолщения стружки зависят от физико-механических свойств обрабатываемого металла, режима и условий резания, геометрических параметров инструмента.

Изменение размеров стружки следует учитывать при проектировании режущего инструмента и назначении размеров стружечных канавок между режущими элементами инструмента, например, размеров канавок между двумя соседними зубьями фрезы, протяжки.