Тема 3. Физические явления в зоне контакта инструмента и

обрабатываемого материала.

Цель занятия. Изучить Физические явления в зоне контакта инструмента и

обрабатываемого материала.

Ключевые слова: наростообразование, стружка, наклеп, изнашивание,

стойкость.

Резание является сложным физическим процессом, при котором возникают

упругие и пластические деформации. Этот процесс сопровождается трением,

тепловыделением, наростообразованием, усадкой стружки, наклепом обработанной

поверхности и изнашиванием инструмента. Знание физической сущности

резания и закономерности явлений, которыми он сопровождается, позволяет

рационально управлять этим процессом и качеством обработанной

поверхности.

Рис.6. Последовательность образования элементов стружки

В начальный момент, когда движущийся резец под действием силы Р

соприкасается с металлом (рис. 6,а), в материале возникают упругие

деформации. При дальнейшем движении резец своей кромкой

вдавливается в металл, вызывая его пластическое деформирование

(рис.6,б). По мере перемещения резца объем пластически

деформированного металла возрастает и внутренние напряжения достигают

значений, превышающих временное сопротивление металла. В этот момент весь

пластически деформированный материал под действием сил сдвигается резцом

в виде окончательно сформированного элемента стружки (рис. 6, в). Далее

процесс деформирования повторяется, образуются новые элементы 1, 2, 3 и

т. д. стружки (рис. 6, г). Объем металла, подвергающийся пластическому

деформированию, ограничен с одной стороны передней поверхностью

лезвия резца, с другой – плоскостью О-О, по которой периодически

сдвигаются или скалываются сформировавшиеся элементы стружки -

плоскостью скалывания (или плоскостью сдвига). Угол β1, определяющий

положение плоскости сдвига относительно направления движения инструмента

называется углом сдвига (углом скалывания). Угол β´ - угол действия.

Наибольшие деформации зерен возникают не в направлении плоскости

О—О, а в другом направлении, определяемом углом θ. Срезаемый слой

подвергается дополнительному деформированию вследствие трения стружки о

переднюю поверхность инструмента. Окончательная структура формируется в

виде вытянутых зерен. Упорядоченную ориентацию деформированных

кристаллических зерен называют текстурой, а угол θ - углом текстуры (рис.

7).

Рис. 7. Схема пластически деформированной зоны при резании

Характер деформирования зависит от физико-механических свойств

обрабатываемого материала, геометрических параметров инструмента, режимов

резания и условий обработки. Для сталей средней твердости положение

плоскости сдвига О—О практически постоянно (β1 = 30°). Угол θ зависит от

свойств обрабатываемого материала и геометрических параметров инструмента.

При обработке хрупких материалов угол θ близок к нулю, при обработке

пластичных материалов доходит до 30°.

С помощью измерения микротвердости установили, что в процессе

стружкообразования металл подвергается деформированию не только в пре-

делах угла действия β', но и за пределами плоскости скалывания. Судя по

распределению микротвердости в зоне стружкообразования, граница

распределения пластического деформирования может проходить не только по

плоскости скалывания, но и по некоторым криволинейным поверхностям,

лежащим между кривыми ОМ и ОN (рис. 8).

Рис. 8. Границы распространения пластических деформаций в зоне резания

Анализ картины распределения микротвердости в этой области показал,

что разность значений микротвердости в различных точках незначительна,

поэтому с незначительной погрешностью можно определять степень

пластического деформирования в плоскости скалывания (сдвига).

По действующей и поныне классификации процессора И. А. Тиме при

обработке различных материалов могут образовываться следующие виды

стружек: сливная, скалывания и надлома. Вид стружки в основном определяется

физико-механическими свойствами обрабатываемого материала, режимом

резания и геометрическими параметрами инструмента.

Рис. 9. Типы стружек:

а – сливная; б- скалывания; в - надлома

Сливная стружка (рис. 9, а) представляет собой сплошную ленту с

гладкой блестящей наружной (прирезцовой) стороной. Внутренняя сторона

стружки матовая со слабо выраженными пилообразными зазубринами. Она

образуется при резании пластичных материалов с большими скоростями

резания, с малой толщиной срезаемого слоя и с большими передними углами

инструмента.

Стружка скалывания (рис. 9, б) с наружной стороны гладкая, а на

внутренней имеет ярко выраженные зазубрины - отдельные элементы (элементная

стружка) или элементы, соединенные между собой в ленту (суставчатая

стружка). Такая стружка характерна для обработки материалов средней

твердости, при малых скоростях резания, с большей толщиной срезаемого слоя

и небольшими передними углами.

Стружка надлома (рис. 9, в) образуется при обработке хрупких

материалов. Под действием силы, приложенной к инструменту, происходит

надлом и разрушение материала. Образуются мелкие разнообразных форм и

размеров кусочки, не связанные или слабо связанные между собой.

Обработанная поверхность при образовании такой стружки получается

шероховатой, с зазубринами и вырывами.

Изменяя условия и режим резания, можно получить различные виды

стружек. Например, при резании меди обычно образуется сливная стружка, а

при глубоком охлаждении — стружка надлома, при резании твердых и

хрупких материалов с подогревом — стружка скалывания. По мере

увеличения скорости резания большинства углеродистых и легированных

конструкционных сталей стружка скалывания превращается в сливную.

Повышение скорости резания при обработке хрупких материалов также

приводит к упрочнению связей между отдельными элементами. Однако это

сцепление легко нарушается и стружка, имевшая вид сливной, рассыпается на

отдельные кусочки.

Образующаяся при обработке большинства сталей сливная стружка

сходит в виде длинных полос или спирали. Она наматывается на механизмы

станка, на инструмент и обрабатываемую заготовку. Это затрудняет экс-

плуатацию станка, может вызвать травму рабочего и повреждение

обработанной поверхности. Особенно недопустима такая стружка в условиях

автоматизированного производства. Кроме того, такая стружка загромождает

цех, так как занимает большой объем. Оптимальной стружкой в массовом

производстве считают спираль в виде отрезков длиной 30—80 мм,

диаметром до 15 мм. Разработан ряд способов дробления стружки:

регулирование режима резания и геометрических параметров режущего

инструмента; искусственное дробление с помощью различных

приспособлений.

Чтобы получить устойчивое стружкодробление, на передней

поверхности резца затачивают специальные канавки и уступы вдоль главной

режущей кромки (рис. 10).

Рис. 10. Резцы с порожком (а) и лункой (б) для ломания и завивания

стружки

Благодаря канавкам увеличивается передний угол γ в месте схода стружки,

что облегчает резание. Стружка сходит крутой спиралью или ломается

отдельными кольцами. Нередко прибегают к использованию специальных

стружколомов, устанавливаемых на резце (рис. 11).

Рис. 11. Накладной стружколоматель конструкции МАИ и МВТУ

Искусственное дробление стружки можно осуществлять изменением

кинематики процесса резания — наложением на равномерное движение подачи

осевых вибраций. Прочная сливная стружка, получающаяся при обычном

резании, превращается в стружку с переменной толщиной, дробится на части и

легко удаляется.

В результате пластического деформирования обрабатываемого материала в

зоне резания длина стружки L0 получается меньше длины срезаемого слоя L,

толщина стружки ас - больше толщины срезаемого слоя, а ширина бс –

больше ширины срезаемого слоя (Lc< L, ас > а, бс > б)

(рис. 12).

Рис. 12. Размеры срезаемого слоя и стружки

Изменение размеров срезаемого слоя называется усадкой стружки.

Изменение размеров стружки по сравнению с размерами срезаемого слоя

характеризуется тремя коэффициентами: коэффициентом укорочения стружки kl

= L / Lc; коэффициентом утолщения стружки ka = ac / a; коэффициентом

увеличения ширины стружки kb = bc / b. По экспериментальным данным,

увеличение ширины стружки невелико

(kb = 1,05…1,15), поэтому им можно пренебречь. Так как объем пластически

деформированного материала не изменяется, то abL = ac bc Lc и при b=bc

получим kl = ka.

Коэффициенты усадки стружки представляют собой простые

соотношения линейных размеров стружки и срезаемого слоя заготовки. В тех

случаях, когда длину стружки измерить трудно, kl определяют по

соотношению площадей сечений стружки f стр и срезаемого слоя f сл «весовым»

методом:

kl = fстр / fсл = Gстр /(ρ l1 a1 b1);

где Gстр – масса элементов стружки; ρ – плотность материала; l1, a1, b1 –

линейные размеры элемента стружки.

Усадка стружки является внешним выражением пластического

деформирования и до некоторой степени характеризует условия протекания

резания: чем меньше усадка стружки, тем меньше пластическая деформация,

более благоприятны условия для стружкообразования и меньше расход

мощности на обработку данной заготовки.

Коэффициент укорочения стружки позволяет выяснить влияние некоторых

факторов на протекание процесса резания и объяснить ряд явлений,

сопутствующих стружкообразованию.

На усадку стружки основное влияние оказывают механические свойства

обрабатываемого материала, передний угол инструмента γ, толщина срезаемого

слоя (подача), скорость резания и применяемая смазочно-охлаждающая

жидкость.

При резании пластичных материалов коэффициент укорочения стружки

больше, чем при резании хрупких. При резании чугуна kl = 1,5... 2,5, а при ре-

зании стали kl = 2... 6.

С уменьшением переднего угла γ усадка стружки увеличивается. Резец с

большим углом γ легче врезается в обрабатываемый материал, и срезаемый

слой будет менее деформирован. Уменьшение усадки kl (рис. 13.) с

увеличением скорости резания объясняется снижением коэффициента трения

между стружкой и передней поверхностью инструмента.

Рис. 13. Зависимость усадки стружки от скорости резания различных

металлов:

1 – медь; 2 – сталь 10; 3 – латунь; 4 – сталь У2

Увеличение толщины срезаемого слоя (подачи) ведет к уменьшению

усадки стружки. Чем тоньше срезаемый слой, тем больше его деформация и

больше коэффициент усадки.

Кроме того, тонкая стружка в большей степени подвергается дополни-

тельному деформированию при трении о переднюю поверхность инструмента по

сравнению с толстой.

Смазочно-охлаждающие жидкости, снижая коэффициент трения,

уменьшают коэффициент усадки стружки. Эффект от влияния СОЖ

увеличивается с уменьшением толщины срезаемого слоя.

При обработке резанием на инструменте всегда образуется радиус

кривизны вершины лезвия rв (рис.14).

Рис. 14. Схема образования поверхностного слоя заготовки

Поэтому в стружку переходит лишь часть металла, подвергающегося

упругопластическому деформированию. Другая часть, толщина которого

соизмерима с радиусом rв, образует обработанную поверхность. После

прохождения резца относительно обработанной поверхности происходит упругое

восстановление поверхностного деформированного слоя на величину hy —

упругое последействие. В результате упругопластического деформирования

обработанной поверхности повышаются прочностные характеристики (временное

сопротивление, предел текучести δт, твердость НВ), снижается пластичность и

изменяются физические свойства материала. Совокупность изменения

указанных свойств материала называют упрочнением, или наклепом. Наклеп

характеризуется глубиной hн и степенью i н = HV пов / HV исх,

где HV noв и HV исх - микротвердость соответственно поверхностного и

исходного материала.

Глубина и степень наклепа зависят от физико-механических свойств

обрабатываемого материала, геометрических параметров инструмента, радиуса

кривизны вершины лезвия, режима резания (hH составляет несколько милли-

метров при черновой обработке и тысячные доли миллиметра при чистовой

обработке).

Чем мягче и пластичнее обрабатываемый материал, тем большему

наклепу он подвергается. Например, чугуны обладают значительно меньшей

способностью к наклепу, чем стали, как по степени, так и по глубине его рас-

пространения. Глубина наклепанного слоя возрастает с увеличением сечения

срезаемого слоя, rв и уменьшением переднего угла γ. Увеличение скорости резания

снижает hH.

Результатом упругопластического деформирования металла являются

также взаимно уравновешивающие остаточные напряжения, возникающие

вследствие неравномерности пластического деформирования и значительного

нагрева поверхностных слоев. Они могут быть растягивающими и сжимающими.

Напряжения сжатия повышают временное сопротивление деталей, а напряже-

ния растяжения снижают его. Если остаточные напряжения превосходят

временное сопротивление обрабатываемого материала, то это может привести к

образованию поверхностных трещин. Для твердых сталей повышение

усталостной прочности в результате действия сжимающих напряжений

достигает 50 %, а снижение ее за счет растягивающих напряжений — около

30 %.

Упрочнение обработанной поверхности полезно при чистовой обработке,

если остаточные напряжения будут сжимающими. Однако упрочнение оказывает

и отрицательное влияние на резание. Повышение твердости поверхностного слоя

в результате черновой обработки затрудняет чистовую обработку, так как

повышается износ инструмента и увеличивается шероховатость поверхности.

Уменьшить глубину и степень наклепа можно применением СОЖ,

увеличением скорости резания v и термообработкой (отжиг и нормализация).

При некоторых условиях резания под влиянием высоких давлений и

температур частицы обрабатываемого материала задерживаются на передней

поверхности лезвия, прочно сцепляются с ней, образуя нарост. Вследствие

значительных деформаций твердость нароста становится в 2—3 раза больше

твердости обрабатываемого материала и нарост сам начинает резать металл,

являясь как бы новым элементом режущего лезвия.

При наличии нароста изменяется форма передней поверхности резца,

увеличивается передний угол у (рис. 15)

Рис. 15. Схема наростообразования и влияние нароста на размер детали (γ,

γн – передние углы соответственно без нароста и с наростом, D и Dн -

соответственно диаметры детали) Это облегчает стружкообразование, уменьшает нагрев режущего лезвия.

Кроме того, нарост защищает режущую кромку инструмента от истирания

сходящей стружкой. Образование нароста — нестабильное явление. В

процессе обработки резанием нарост, постепенно формируясь, достигает

максимального значения. Затем за счет сил трения он может быть унесен со

стружкой или вдавлен в обработанную поверхность. Частота срывов нароста

зависит от скорости резания и достигает нескольких сотен в секунду.

Нестабильность нароста по высоте приводит к существенному увеличению

шероховатости обработанной поверхности, изменяет ее размер и при оп-

ределенных условиях вызывает интенсивные вибрации резца. Нарост является

положительным явлением при черновой обработке и отрицательным — при

чистовой, так как снижает качество обработанной поверхности.

Рис. 16. Влияние высоты нароста hH на коэффициент трения μ, силу

резания Рt, коэффициент укорочения стружки kl, передний угол γн и параметр

шероховатости Rz при различных скоростях резания стали 40Х

Наростообразование зависит от физико-механических свойств

обрабатываемого материала, режима резания, геометрических параметров

инструментов, наличия и состава СОЖ и других факторов.

Наиболее интенсивно нарост образуется при обработке пластичных

материалов. При обработке хрупких металлов нарост может и не образовываться.

Зависимость высоты нароста h н от скорости резания дана на рис. 16. Для

разных материалов существует определенный диапазон скоростей, для которых

высота нароста h н — максимальна. Повышение пластичности обрабатываемого

материала сдвигает максимум кривой влево. Для этих же скоростей резания

шероховатость поверхности также максимальна. При повышении скорости

резания выше 60—70 м/мин нарост на режущем инструменте не образуется, так

как под действием теплоты он становится пластичным. С увеличением подачи

размеры нароста увеличиваются. Глубина резания существенного влияния на

размеры нароста не оказывает.

С уменьшением переднего угла v увеличивается зона деформированного

материала и, следовательно, увеличивается нарост. Применение СОЖ

уменьшает нарост. В результате исследования наростообразования установлены

способы борьбы с ним при чистовой обработке: увеличение скорости резания,

увеличение переднего угла γ, применение СОЖ, тщательная доводка

поверхностей лезвия для уменьшения коэффициента трения между ними и

обрабатываемым материалом.

Одной из основных характеристик работоспособности режущего

инструмента является его способность сопротивляться изнашиванию.

Изнашивание инструмента при резании происходит в результате трения стружки

о переднюю поверхность лезвия инструмента и задних поверхностей лезвия о

поверхности заготовки. Трение происходит при больших контактных

давлениях и высоких температурах. Механизм изнашивания инструмента очень

сложен. Здесь имеют место абразивный, адгезионный, диффузионный и

окислительный процессы. Все эти виды изнашивания тесно связаны между собой

и влияют в целом на суммарный износ инструмента. Удельный вес каждого из

этих видов изнашивания зависит от свойств контактирующих материалов и

условий взаимодействия (прежде всего от скорости резания).

Абразивное изнашивание происходит в результате царапания и

истирания отдельных участков поверхностей инструмента твердыми

включениями, находящимися в обрабатываемом материале. Контактные

поверхности инструмента могут царапать также частицы периодически

разрушающегося нароста, твердость которого в несколько раз превосходит

твердость обрабатываемого материала.

Адгезионное изнашивание происходит в результате действия сил

молекулярного сцепления - адгезии, выражающейся в схватывании

поверхностных слоев режущего инструмента с обрабатываемым материалом.

Частицы материала вырываются с поверхности инструмента и уносятся со

стружкой.

Диффузионное изнашивание происходит в результате растворения

инструментального материала в обрабатываемом. Взаимному

диффузиионному растворению металла инструмента и заготовки способствует

высокая температура, большие пластические деформации и схватывание в

контакте. При этом происходит диффузия не молекул химического соединения,

а отдельных элементов этого соединения, например углерода, кобальта,

титана, вольфрама, входящих в состав инструментального материала.

Наиболее активно диффузионному изнашиванию подвергаются твердые

сплавы, работающие при высоких скоростях резания, когда температура

контактных слоев более 900—950 °С.

Окислительное изнашивание происходит в связи с коррозией металлов

в условиях активного охлаждения зоны резания и газонасыщения;

происходит разрушение поверхностных слоев путем образования оксидов и

растравливания зерен в сочетании с царапанием и истиранием.

При обработке резанием в условиях сухого и полусухого трения

преобладающим является абразивное изнашивание инструмента. В

результате изнашивания на передней поверхности лезвия образуется

лунка длиной l л и глубиной δ л, а на задней поверхности — площадка высотой

h з. Общий характер износа режущего инструмента на примере токарного

резца показан на рис. 17, а. В зависимости от условий обработки и свойств

материала может преобладать износ по передней или по задней

поверхностям.

Рис. 17. Виды износа инструмента

Износ по задним поверхностям преобладает при обработке твердых

хрупких материалов и при обработке пластичных материалов с малой

толщиной срезаемого слоя (а < 0,1 мм) и низких скоростях резания. Износ

инструмента по главной задней поверхности изменяет его линейные

размеры в радиальном направлении h p, что приводит к уменьшению глубины

резания t и изменению размеров обработанной поверхности. Радиальный износ

h p≈ h з tg α, где α- задний угол (рис.17, б).

Износ по передней поверхности преобладает при обработке пластичных

материалов с толщиной срезаемого слоя а > 0,5 и высоких скоростях резания

без охлаждения. По мере изнашивания резца длина лунки l л увеличивается,

ширина перемычки уменьшается, режущая кромка разрушается. Для

восстановления соответствующей геометрической формы лезвия инструмент

затачивают повторно.

Время резания новым или восстановленным режущим инструментом

(лезвием) от начала резания до отказа называется периодом стойкости режущего

инструмента. Критерий отказа режущего инструмента определяется в зависимости

от требований к обработке при выполнении конкретной технологической

операции. Например, на операциях предварительной обработки с невысокими

требованиями к шероховатости поверхности и точности размеров за критерий

отказа могут быть приняты предельно допустимые значения износа инструмента

по задней поверхности лезвия, определенные по условию его рациональной

эксплуатации, значения силы резания.

За критерий затупления инструмента (частный случай критерия отказа)

принимают допустимую высоту площадки износа по задней поверхности hз. На

рис. 18 показана зависимость hз от продолжительности работы инструмента.

Кривую изнашивания можно разделить на три периода: I - период приработки,

в который происходит истирание выступающих частиц поверхности

инструмента; II - период нормального изнашивания; III - период катастро-

фического изнашивания.

Рис. 18. Зависимость величины износа h резца от времени его работы

Величину hз, соответствующую точке В перегиба на кривой износа,

называют оптимальным износом. Например, при обработке обычных

конструкционных сталей разрушение резцов, оснащенных твердым сплавом,

происходит при hз = 0,8...1 мм; при обработке жаропрочных сплавов ка-

тастрофический износ наступает при h3 = 0,5...0,6 мм.

При чистовой обработке установлен так называемый технологический

критерий затупления. Инструмент считают изношенным, когда шероховатость

обработанной поверхности и точность ее размеров перестают отвечать заданным

техническим условиям.

Стойкость инструмента зависит от физико-механических свойств

обрабатываемого и инструментального материалов, геометрических параметров

инструмента, режима резания, условий обработки. Наибольшее влияние на

интенсивность изнашивания оказывает скорость резания. Чем выше скорость

резания, тем быстрее начинается катастрофическое изнашивание (рис. 19), что

вызвано возрастанием температуры в зоне резания.

Рис. 19. Зависимость износа инструмента от времени его работы при

различных скоростях резания

Чем выше скорость резания, тем меньше стойкость резцов из инструмен-

тальных сталей. Для твердосплавного инструмента эта зависимость имеет более

сложный характер (рис. 20). Зоной рационального использования твердого сплава

является участок, расположенный вправо от максимальной стойкости. Поэтому

зависимость между v и Т можно выразить также в виде ниспадающей кривой.

Рис. 20. Зависимость стойкости резца от скорости резания

Установлено, что между v и Т при данном критерии затупления,

неизменных подаче и глубине резания существует следующая зависимость.

v 1T m1= v 2T m2 = … C v = const.

В общем виде эта зависимость выражается формулой v= Cv/Tm или vTm =

Cv = const, где Т - стойкость, мин, соответствующая данной скорости резания

v. Коэффициент Сv и показатель относительной стойкости m зависят от

физико-механических свойств инструментального и обрабатываемого

материала, площади срезаемого слоя, охлаждения и др.

Величина m играет большую роль при эксплуатации режущих

инструментов. Она показывает, насколько интенсивно изменяется стойкость с

изменением скорости резания. При точении m ≈ 0,1...0,4 (определяют по спра-

вочникам).

В логарифмических координатах зависимость между скоростью резания

и стойкостью изображают прямой линией, тангенс угла наклона которой

равен показателю относительной стойкости m = tg α = a/b (рис. 21).

Рис. 21. Логарифмическая зависимость стойкости резца от скорости

резания

Из приведенной зависимости видно, что даже при незначительном

увеличении скорости резания стойкость резцов резко снижается. Поэтому

заготовки следует обрабатывать на расчетной скорости, которой соответствует

определенная стойкость инструмента.

Вопросы для самоконтроля по теме 3:

1. Какими физическими явлениями сопровождается процесс резания?

2. Какие существуют виды стружки, и чем они определяются?

3. Что такое нарост и причины его образования?

4. Что такое наклеп и от чего зависят его глубина и степень?

5. Перечислить виды изнашивания режущего инструмента.

6. Что такое стойкость инструмента?

Л.: [ 1 ] с.29 - 53;

Дата добавления: 2014-12-17