4.2.      Механизм образования стружки

Образование стружки возможно только в том случае, если на режущий инструмент будет действовать сила, способная создать в срезаемом слое напряжения, превышающие прочность обрабатываемого материала.

Изучение стружкообразования имеет большое значение, так как от него зависит величина работы на резание, износ режущего инструмента и качество обрабатываемой поверхности.

Резец под действием силы Р, внедряясь в обрабатываемый материал, начинает сжимать его своей передней поверхностью (рис. 4.4). При движении резца в обрабатываемом материале возникает упругая деформация, которая быстро переходит в пластическую и срезаемы слой толщиной а превращается в стружку толщиной ас, движущуюся вдоль передней поверхности.

В результате металлографических исследований установлены 3 зоны деформаций (рис. 4.4): упругих (1); пластических (2); разрушения (3). При этом работа упругих деформаций значительно меньше работы пластических деформаций.

Изучением контактных процессов в зоне резания занимались многие исследователи: Н.Н. Зорев, Т.Н. Лоладзе, А.И. Исаев, М.И. Клушин, М.Ф Полетика, А.М. Розенберг, В.Ф. Бобров, Г.И. Грановский и др. Результаты исследований, выполненных металлографическим методом, методом делительных сеток, позволили сравнительно точно определить контуры пластической области при резании.

Режущий клин инструмента (рис. 4.5) через площадку контакта шириной С действует на срезаемый слой толщиной а. Сосредоточенная сила R, с которой передняя поверхность инструмента давит на срезаемый слой, получила название силы стружкообразования.

Линией OK обозначена нейтральная линия, разграничивающая области сжимающих и растягивающих напряжений в обрабатываемом материале ниже поверхности резания. Левее нейтральной линии расположена область сжимающих напряжений, а правее – растягивающих.

Перед передней поверхностью инструмента (рис. 4.5) расположена зона первичной деформации 1. Зона ОАВСО первичной деформации имеет форму клина с верши

ной на лезвии инструмента. Ее нижняя граница ОА вогнута и пересекает продолжение поверхности резания. Верхняя граница ОВ зоны выпукла и ее длина в 2 – 4 раза меньше длины линии ОА. Линия АВ плавно сопрягает предыдущую поверхность резания со свободной стороной стружки.

Левее линии ОА находятся еще недеформированные зерна материала срезаемого слоя, а правее линии ОВ – зерна материала, принадлежащие стружке. Зерно срезаемого слоя, перемещающееся относительно инструмента со скоростью резания V, начинает деформироваться в точке F и, проходя по траектории своего движения, получает все большую степень деформации. Деформация зерна заканчивается в точке Q, где зерно приобретает скорость, равную скорости стружки (Vc).

Многочисленные эксперименты показывают, что ширина стружки по сравнению с шириной срезаемого слоя даже при свободном резании увеличивается незначительно; при несвободном резании уширение стружки еще меньше. Поэтому можно считать, что деформированное состояние в зоне стружкообразования является плоским и срезаемый слой в процессе резания претерпевает деформацию сдвига.

На основании этого линия ОА физически представляет собой поверхность сдвига (скольжения), на которой сдвигающие напряжения равны пределу текучести (tso) материала на сдвиг:

t = tso.

Вся зона I состоит из подобных поверхностей, на каждой из которых сдвигающие напряжения равны пределу текучести материала, уже получившего определенную степень упрочнения в результате предшествующей деформации.



Линия ОВ представляет собой поверхность, на которой осуществляется последняя сдвиговая деформация; на ней сдвигающие напряжения (t) равны пределу текучести (ts) на сдвиг окончательного упрочненного в результате превращения срезаемого слоя в стружку материала:

t = ts.

Если бы между передней поверхностью инструмента и контактной поверхностью стружки отсутствовало трение, то на этом деформирование зерен срезаемого слоя закончилось бы. Так как между указанными поверхностями всегда имеется трение, то зерна материала, находящиеся в непосредственной близости от контактной поверхности стружки, продолжают деформироваться и после выхода их из зоны первичной деформации. Так возникает зона II вторичной деформации, ограниченная передней поверхностью и линией CD. Ширина OD зоны вторичной деформации приблизительно равна половине ширины площадки контакта С/2, а максимальная высота (D1) в среднем составляет 0,1 толщины стружки (ас).

Как показал Н.Н. Зорев /3/, зерна срезаемого слоя, проходя через зону вторичной деформации, деформируются исключительно сильно: степень деформации в зоне II может в 20 раз и более превышать среднюю деформацию стружки. Наличие зоны вторичной деформации приводит к неоднородности конечной деформации стружки по ее толщине. На большей части толщины стружки степень деформации зерен одинакова, а в слое толщиной D1 наблюдается резкое увеличение степени деформации.

Размеры зоны вторичной деформации и степень деформации зерен материала в этой зоне определяются интенсивностью трения на передней поверхности. Чем меньше сила трения на передней поверхности, тем меньше размеры зоны вторичной деформации и интенсивность деформации. При уменьшении толщины срезаемого слоя, увеличении переднего угла и применении хорошо смазывающих жидкостей размеры зоны II уменьшаются, и она становится исчезающе малой. В этом случае степень деформации зерен стружки по ее толщине практически одинакова.

Сложность физических процессов, происходящих в зонах первичной и вторичной деформации, не позволяет дать простых математических методов их количественного описания. Поэтому при инженерных расчетах реальный процесс стружкообразования заменяют его упрощенной моделью.

Правомерность использования упрощенной модели связана со следующими обстоятельствами. Зона первичной деформации по своей толщине соизмерима с толщиной срезаемого слоя только при малых передних углах инструмента, большой толщине срезаемого слоя и низких скоростях резания. При передних углах инструмента, толщине срезаемого слоя и скоростях резания, применяемых в производственных условиях, протяженность зоны первичной деформации (FQ) резко уменьшается, ее границы OA и ОВ сдвигаются, приближаясь к некоторой линии ОЕ, наклонной к поверхности резания под углом β, называемым углом сдвига (скалывания).

Это позволяет считать, что сдвиговые деформации локализуются в очень тонком слое толщиной Dх, а семейство поверхностей скольжения можно заменить единственной плоскостью (ОЕ), называемой условной плоскостью сдвига (плоскостью скалывания).

Итак, плоскость сдвига – плоскость распространения пластической деформации, по которой сдвигаются или скалываются элементы стружки.

При такой идеализации процесс превращения срезаемого слоя в стружку можно представлять как процесс последовательных сдвигов тонких слоев обрабатываемого материала вдоль условной плоскости сдвига. Поскольку деформированное состояние практически является плоским, то, следовательно, процесс стружкообразования должен подчиняться закономерностям простого сдвига /1, 2, 4 /.