Физические явления в зоне резания. Процесс образование стружки и сопровождающие его явления. Сущность процесса резания

Лекция № 3

Сущность процессов резания

3.1.Конструкционные и инструментальные материалы

3.2. Процесс резания

3.3. Физические явления, сопровождающие процесс резания

Конструкционные и инструментальные материалы

Резанием обрабатываются заготовки, полученные из следующих конструкционных материалов – углеродистые стали качественные и обыкновенного качества, легированные стали, теплостойкие стали и труднообрабатываемые материалы.

Широкое распространение имеет углеродистая сталь, как соединение железа (Fe) с углеродом (C), содержание которого в стали не более 0,7%. Эталонной углеродистой сталью является сталь 45, обрабатываемость которой принята за единицу.

Режущие инструменты изготавливаются из инструментальных материалов следующих типов:

Ø инструментальные стали,

Ø твердые сплавы,

Ø металлокерамика,

Ø алмазы,

Ø сверхтвердые материалы (эльбор),

Ø абразивные материалы.

Основные требования к инструментальным материалам – это высокие физико-технические характеристики по прочности, твердости и теплостойкости. Физико-технические характеристики инструментальных материалов должны быть в 2 раза выше таких же характеристик обрабатываемых заготовок.

Инструментальные стали получили широкое распространение для изготовления массовых типов режущего инструмента. Основными инструментальными сталями являются:

Ø Углеродистые стали марок – У7, У8…У13.

Ø Легированные стали марок – ШХ-15, 9ХС, ХВГ.

Ø Быстрорежущие стали марок – Р18, Р6М5, Р6М5К5.

Процесс резания

Процессом резания называется работа, выполняемая режущим инструментом по отделению припуска от заготовки в виде стружки и преодолению сил трения.

Главным элементом режущего инструмента является режущий клин.

Главным параметром режущего клина является угол заострения (β)

Главными углами режущего клина являются:

· передний угол (α)

· задний угол (γ)

β + α + γ= 90°

Рис. 1. Параметры режущего клина

Рис.2. Схема режущего клина

На схеме режущего клина показаны главные поверхности и углы.

Линия 1,2 – это след плоскости, которая называется передней поверхностью.

Линия 3,4 – это след плоскости, которая называется задней поверхностью.

Эти две поверхности фактически никогда не сходятся в точку, так как между ними, при заточке режущего клина образуется радиусное сопряжение величиной до 500 мкм, определяемое кристаллической решеткой инструментального материала.

Такая форма режущего клина характерна для всех видов режущих инструментов, при работе которых происходит отделение припуска в виде стружки.

Стружкообразование

Слой металла, удаляемый с заготовки с целью придания ей формы и размеров готовой детали, называется припуском.

В процессе резания припуск превращается в стружку. Припуск может сниматься как за один , так и за несколько проходов режущего клина.

На обрабатываемой заготовке различают следующие поверхности:

ü обработанную – поверхность, с которой снята стружка;

ü обрабатываемую – поверхность, с которой снимается стружка;

ü поверхность резания , образованную непосредственно режущей кромкой режущего инструмента.

Изобразим графически (Рис.3.) отделение припуска от основной заготовки

Рис.3. Схема отделения припуска от основной заготовки

На схеме обозначены точками следующие элементы:

3,5 – обработанная поверхность

7,8 – обрабатываемая поверхность

3,8,9,2 – зона деформации

2,9,10,11,2 – стружка

1,2,3,4 – режущий клин

6,7,8,3 – припуск

1,2 – передняя поверхность режущего клина

3,4 – задняя поверхность режущего клина

r – радиус закругления режущей кромки

α – передний угол

β – угол заострения

γ – задний угол

В процессе резания на вершине режущего клина возникает сила резания R, преодолевающая силу сопротивления припуска отделению от заготовки и силы трения стружки о переднюю поверхность и трения задней поверхности режущего клина об обработанную поверхность. При этом в снимаемом припуске протекают сложные процессы упругого и пластического деформирования. Укажем на представленном выше рисунке 3. две зоны деформации припуска.

8,9 – зона пластической деформации

9,10 – зона сдвига частиц снимаемого припуска по плоскостям межкристаллических связей (12,13).

Рис. 4. Виды стружки.

В процессе резания заготовка и режущий инструмент находятся в относительном движении. Процесс резания выполняется при наличии основных и вспомогательных движений.

Основные движения, совершаемые заготовкой и режущим инструментом, делятся на главное движение и движение подачи.

Главное движение – это движение заготовки или инструмента, совершаемое с наибольшей скоростью.

Главное движение обозначается Dr. Главное движение - скорость наибольшая.

Движение подачи имеет меньшую скорость – скорость подачи S. Это движение обеспечивает врезание режущего клина инструмента в новые слои металла и обозначается DS. Движение подачи обеспечивает врезание в новые слои металла

По характеру и Dr, и DS могут быть вращательными или прямолинейно-поступательными.

При разных методах обработки главное движение и движение подачи осуществляются или обрабатываемой заготовкой, или режущим инструментом.

Например:

· при точении Dr совершается заготовкой, а DS – режущим инструментом (резцом) рис. 4.

Рис. 4 Схема точения.

· при цилиндрическом фрезеровании Dr совершается режущим инструментом (фрезой), а DS – заготовкой; Рис. 5.

Рис. 5 Схемы обработки резанием

· при сверлении, возможно, что оба движения совершает режущий инструмент (сверло), а заготовка неподвижна.

Совокупность движений Dr и DS обеспечивает получение поверхности требуемой формы. С учетом величины скорости и направлений движений Dr и DS можно рассматривать результирующее движение De.

De – суммарное движение режущего инструмента относительно движущейся заготовки. Движение De характеризуется скоростью результирующего движения Ue .

Эффективность и производительность процесса резания зависит от:

Ø физико-технических свойств металла (материала заготовки и инструмента) HRC, HB, T °C;

Ø геометрических параметров режущей части инструмента;

Ø параметров режима резания (v, s, t);

Ø условий обработки.

Физические явления, сопровождающие процесс резания

В процессе резания выполняется работа, затрачивается энергия. Эта энергия распределяется между двумя видами работ.

N = Aпол + Aвсп, где:

Апол – полезная работа по отделению припуска от заготовки в виде стружки

Авсп – вспомогательная работа по преодолению сил трения, сил сопротивления упругой и пластичной деформации.

Совершаемая работа сопровождается целым комплексом физических явлений.

Основными физические явлениями, сопровождающими процесс резания, являются:

1. сила резания (R)

2. температура резания (T ˚С)

3. износ инструмента (режущего клина) (h3)

4. усадка стружки (l)

Процесс резания (стружкообразования) является сложным физическим процессом, сопровождающимся большим тепловыделением, деформацией металла, износом режущего инструмента и наростообразованием на резце. Знание закономерностей процесса резания и сопровождающих его явлений позволяет рационально управлять этим процессом и изготовлять детали более качественно, производительно и экономично. При резании различных материалов образуются следующие основные типы стружек (смотри рисунок): сливные (непрерывные), скалывания (элементные) и надлома.

Сливная стружка - а) образуется при резании пластических металлов (например, мягкой стали, латуни) с высокими скоростями резания и малыми подачами при температуре 400-500°С. Образованию сливной стружки способствуют уменьшение угла резания (при оптимальном значении переднего угла) и высокое качество смазочно-охлаждающей жидкости.

Стружка скалывания - б) состоит из отдельных элементов, связанных друг с другом и имеет пилообразную поверхность. Такая стружка образуется при обработке твердой стали и некоторых видов латуни с малыми скоростями резания и большими подачами. С изменением условий резания стружка скалывания может перейти в сливную и наоборот.

Стружка надлома - в) образуется при резании малопластичных материалов (чугуна, бронзы) и состоит из отдельных кусочков.

Режущий инструмент деформирует не только срезаемый слой, но и поверхностный слой обрабатываемой детали. Деформация поверхностного слоя металла зависит от различных факторов и ее глубина составляет от сотых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Под действием деформации поверхностный слой металла упрочняется, увеличивается его твердость и уменьшается пластичность, т. е. происходит так называемый наклеп обрабатываемой поверхности. Чем мягче и пластичнее обрабатываемый металл, тем интенсивней процесс образования наклепа. Чугуны обладают значительно меньшей способностью к упрочнению, чем стали. Глубина и степень упрочнения при наклепе увеличиваются с увеличением подачи и глубины резания и уменьшаются с увеличением скорости резания. При работе плохо заточенным инструментом глубина наклепа примерно в 2-3 раза больше, чем при работе остро заточенным инструментом. Применение смазочно-охлаждающей жидкости значительно уменьшает глубину и степень упрочнения поверхностного слоя.

При обработке металлов, особенно пластичных, в непосредственной близости к режущей кромке резца на переднюю поверхность резца налипает обрабатываемый материал, образуя металлический нарост, имеющий клиновидную форму и по твердости в 2-3 раза превышающий твердость обрабатываемого материала. Являясь как бы продолжением резца, нарост (рисунок слева) изменяет геометрические параметры резца (δ1<δ), участвует в резании металла и оказывает влияние на результаты обработки, износ резца и силы, действующие на резец. При обработке нарост периодически скалывается и вновь образуется; отрыв частиц нароста по длине режущего лезвия происходит неравномерно, что приводит к мгновенному изменению глубины резания. Эти явления, повторяющиеся периодически, увеличивают шероховатость обработанной поверхности. С увеличением пластичности обрабатываемого металла размеры нароста возрастают. При обработке хрупких металлов, например чугуна, нарост, как правило, не образуется.

При скорости резания υ<5м/мин нарост не образуется. Наибольшая величина нароста соответствует υ=10-20 м/мин для инструмента из быстрорежущей стали и υ>90м/мин для твердосплавного инструмента. Поэтому при этих скоростях не рекомендуется производить чистовую обработку. С увеличением подачи нарост увеличивается, поэтому при чистовой обработке рекомендуется подача 0,1-0,2 мм/об. Глубина резания существенного влияния на размеры нароста не оказывает. Для уменьшения нароста рекомендуется уменьшать шероховатость передней поверхности режущего инструмента, по возможности увеличивать передний угол γ (например, при γ=45° нарост почти не образуется) и применять смазочно-охлаждающие жидкости. При черновой обработке образование нароста, напротив, благоприятно сказывается на процессе резания.

Физические явления, возникающие

В процессе резания

В процессе резания происходит деформирование и разрушение материала заготовки, сопровождающееся рядом физико-химических явлений :

1) в деформированном объеме заготовки возникает сложнонапряженное состояние материала, имеют место упругие и пластические деформации, происходит хрупкое и вязкое разрушение. На обработанной поверхности образуется шероховатость, а в поверхностном слое заготовки происходит изменение текстуры, структуры и всех теплофизических и электрофизических свойств;

2) в зоне резания возникает неоднородное температурное

поле. Имеет место сложная схема распространения тепловых потоков и создаются особые условия теплопередачи между инструментом, стружкой и поверхностным слоем детали;

3) трение в области контакта инструмента и материала заготовки происходит при больших давлениях и температурах. Иногда возникает особый вид трения неокисленных поверхностей – чистое трение;

4) при определенных условиях резания на передней поверхности клина возникает слоистое металлическое образование, называемое наростом. Нарост изменяет геометрию клина и влияет на условия обработки;

5) происходят различные виды разрушения (износа) клина, возникающие под действием истирания, царапания, адгезии, диффузии и других явлений;

6) применение СОЖ сопровождается физико-химическими явлениями, возникающими при соприкосновении смазочно-охлаждающих веществ с нагретыми поверхностями инструмента и заготовки;

7) в системе станок – приспособление – инструмент – деталь (СПИД) могут возникать вынужденные колебания и автоколебания, ухудшающие процесс резания.

Стружкообразование

При обтекании режущего лезвия инструмента часть деформированного материала перемещается по его передней поверхности, превращаясь в стружку, а другая часть, находящаяся ниже линии среза, движется по его задней поверхности и образует поверхностный слой детали.

Стружкообразование и формирование поверхностного слоя детали являются единым процессом деформирования и разрушения материала при резании.

Типы стружек

В зависимости от условий резания заготовок образуются различные виды стружки. Под условиями резания материалов следует понимать: режим резания, схему резания, геометрию режущего инструмента, свойства инструментального и обрабатываемого материалов и смазывающе-охлаждающее технологическое средство (СОТС).

Впервые классификацию стружек дал в 1870 г. русский ученый И.А. Тиме в своей монографии «Сопротивление материалов и дерева резанию». Все возникающие при резании стружки можно разделить на четыре типа: сливную, элементную суставчатую, элементную скалывания и надлома.

Сливная стружка. Сливная стружка имеет вид непрерывной ленты, у которой на верхней и боковых сторонах четко выражены следы пластической деформации в виде мелких заостренных выступов (рис. 14). Обработанная поверхность заготовки при образовании стружки данного типа имеет гладкий и блестящий вид. Сливная стружка образуется при резании вязких и пластичных материалов с большими скоростями резания , средними и малыми подачами при больших положительных передних углах инструмента.

Стружка элементная суставчатая. Элементная суставчатая стружка имеет вид отдельных, четко выраженных элементов, прочно связанных друг с другом (рис. 15). Обработанная поверхность заготовки при образовании такой стружки содержит небольшое количество надрывов. Элементная суставчатая стружка образуется при обработке пластичных материалов с большими и средними скоростями резания, средними подачами и с большими и средними передними углами.

Стружка элементная скалывания. Стружка имеет вид отдельных, относительно правильной формы элементов, несвязанных

друг с другом (рис. 16). После формообразования обработанная поверхность заготовки получается шероховатой с надрывами. Этот вид стружки образуется при обработке материалов средней пластичности при средних и низких скоростях резания, средних и больших подачах и малых передних углах .

1. Образование стружки. Как указывалось ранее режущей части резца придается форма несимметричного клнна, который с некоторой силой Р вдавливается в обрабатываемый материал. Под действием этой силы происходит сжатие срезаемого слоя, который деформируется не по всей длине, а только на небольшом участке, расположенном близко к передней поверхности резца.

Известно, что разрушению металла под действием приложенной силы предшествует постепенно изменяющийся характер деформации, Так, в пластичных металлах вначале возникают упругие (обратимые) деформации, вследствие которых зерна металла сжимаются или вытягиваются. Затем металл начинает пластически (необратимо) деформироваться. Зерна при этом сдвигаются друг от- 1 относительно друга. И, наконец, при некотором значении внешней силы, соответствующей прочности обрабатываемого материала, де

формированный участок скалывается и отделяется от основной массы, образуя элемент стружки. Такие явления последовательно повторяются в течение всего процесса резания.

Хрупкие металлы разрушаются почти без пластического деформирования при достижении предела упругости. Поэтому на их резание затрачивается значительно меньше работы, чем на пластичные металлы.

Скалывание элементов стружки происходит вдоль определенной плоскости АВ, которую еще И. А. Тиме в своих работах назвал плоскостью скалывания. Эта плоскость при резании Пластичных металлов имеет примерно постоянное расположение к направлению резания и составляет с ним угол Л-145- 150е, Этот угол называют углом скалываний.

В более поздних исследованиях Я. Г, Усачева было установлено, что направление сдвига зерен металла происходит по плоскостям сдвига АС, угол плоскости скалывания для более плас- до 30°, а для менее пластичных приближается к нулю.

Схема резания позволяет геометрически установить наиболее целесообразную величину переднего угла резцов для обработки пластичных металлов из следующих рассуждений. Каждый элемент стружки, продвигаясь вдоль плоскости скалывания, одновременно перемещается перпендикулярно к этой плоскости вверх. Следовательно, для уменьшения деформаций элементов стружки И трения их о переднюю поверхность резца последняя не должна препятствовать такому движению. Для этого переднюю поверхность резца целесообразно расположить перпендикулярно к плоскости скалывания. В этом случае углы у и 0] становятся равными между собой как углы с взаимно перпендикулярными сторонами. Используя значение угла скалывания Д, можно сделать заключение, что рациональная величина переднего угла должна составлять 30-35°.^ Практически для повышения прочности режущего клииа передние углы резцов выполняются значительно меньшими (примерно в 1,5- 2 раза) в зависимости от механических свойств обрабатываемого материала и материала инструмента.

Процесс резания (стружкообразования) является сложным физическим процессом, сопровождающимся большим тепловыделением, деформацией металла при образовании стружки, износом режущего инструмента и наростообразованием на резце. Знание закономерностей процесса резания и сопровождающих его явлений позволяет рационально управлять этим процессом и обрабатывать детали более качественно, производительно и экономично.

В процессе резания различных материалов могут образовываться следующие основные виды стружек: сливные, скалывания и надлома.

Рис 1. Типы стружек: а -- сливная, б -- скалывания, в -- надлома

Сливная стружка (рис. 1 а) образуется при резании вязких и мягких материалов, например мягкой стали, латуни. Резание протекает обычно при высокой скорости. Чем больше скорость резания и вязкость обрабатываемого металла, меньше угол резания и толщина среза, выше качество смазочно-охлаждающей жидкости, тем стружка ближе к сливной.

Стружка надлома (рис. 1 в) образуется при резании хрупких металлов, например серых чугунов. Такая стружка состоит из отдельных, почти не связанных между собой элементов. Обработанная поверхность при образовании такой стружки получается шероховатой, с большими впадинами и выступами. В определенных условиях, например при обработке чугунов средней твердости, стружка надлома может получиться в виде колец. Сходство со сливной стружкой здесь только внешнее, так как достаточно слегка сжать такую стружку в руке и она легко разрушится на отдельные элементы.

Стружка скалывания (рис. 1 б) занимает промежуточное положение между сливной стружкой и стружкой надлома и образуется при обработке некоторых сортов латуни и твердых сталей с большими подачами и относительно малыми скоростями резания. С изменением условий резания стружка скалывания может перейти в сливную и наоборот.

Под действием режущего инструмента срезаемый слой металла подвергается сжатию. Процессы сжатия (как и процессы растяжения) сопровождаются упругими и пластическими деформациями.

При обработке режущий инструмент деформирует не только срезаемый слой, но и поверхностный слой материала обрабатываемой детали. Глубина деформации поверхностного слоя металла зависит от различных факторов и может достигать от сотых долей до нескольких миллиметров.

Под действием деформации поверхностный слой металла упрочняется, увеличивается твердость и уменьшается пластичность, происходит так называемый наклеп обрабатываемой поверхности.

Чем мягче и пластичнее обрабатываемый металл, тем большему наклепу он подвергается. Чугуны обладают значительно меньшей способностью к упрочнению, чем стали. Величина и глубина наклепа увеличиваются с увеличением подачи и глубины резания и уменьшаются с увеличением скорости резания. Глубина наклепа увеличивается примерно в 2--3 раза при работе тупым режущим инструментом, чем при работе острым. Смазочно-охлаждающие жидкости уменьшают глубину и степень упрочнения.

При некоторых условиях резания на передней поверхности режущей кромки резца налипает обрабатываемый материал, образуя так называемый нарост . Он имеет клиновидную форму, по твердости превышает в 2--3 раза твердость обрабатываемого материала. Являясь как бы продолжением резца, нарост изменяет его геометрические параметры (д 1 <д), участвует в резании металла, влияет на результаты обработки, износ резца и силы, действующие на резец.

Усадка стружки является важным параметром, определяющим ход протекания процесса резания. Так, изменение усадки стружки влечет за собой изменение сил резания, качества обработанной поверхности, стойкости режущего инструмента и т. п. Коэффициент усадки стружки определяется отношением длины обработанной поверхности к длине стружки и может быть в пределах от 1,1 до 10. Чем больше коэффициент усадки стружки, тем ниже твердость материала, выше пластичность, а обрабатываемость резанием - лучше.

На коэффициент усадки стружки влияют различные параметры резания, например, при увеличении переднего угла резца коэффициент усадки уменьшается, а при увеличении радиуса закругления вершины резца - увеличивается, при увеличении толщины среза коэффициент усадки уменьшается.