4.4. Типы стружек, различия в механизме их образования

Процесс отделения поверхностного слоя металла от основной массы заготовки в зависимости от условий резания совершается с образованием элементной (прерывистой) стружки, состоящей из изолированных друг от друга элементов, или сливной (непрерывной) стружки.

Каждый из этих двух видов стружкообразования имеет свои закономерности, отражающие свойства металлов, проявляемые ими в различных условиях пластической деформации.

Образование элементной стружки заключается в том, что резец, внедряющийся в обрабатываемую заготовку под действием силы R, преодолевает сопротивление деформации обрабатываемого материала. По мере проникновения резца в заготовку сопротивление деформации увеличивается, что обуславливает увеличение силы R. Так происходит до того момента, пока в результате прогрессирующей пластической деформации запас пластичности обрабатываемого материала не будет исчерпан, то есть он не перейдет в хрупкое состояние, после чего возникает трещина, начинающаяся у лезвия инструмента и выходящая на поверхность обрабатываемой заготовки. Получающаяся стружка называется стружкой отрыва.

В большинстве случаев трещина вдоль поверхности разрыва не появляется, что означает, что среда вблизи поверхности разрыва не пришла в предельное (хрупкое) состояние. В этом случае стадия сжатия срезаемого слоя резцом будет продолжаться лишь до того момента, пока составляющая R_сдв силы R (рис. 4.3) не окажется достаточной, чтобы вызвать скалывание (сдвиг) элемента стружки по плоскости, составляющей угол β₁ с направлением скорости резания. Так образуется стружка скалывания.

Усачевым были обнаружены деформации внутри деформированного элемента срезаемого слоя. Он показал, что направление максимальной вытянутости зерен составляет с направлением скорости резания угол β₂ (β₂-β₁ = 0…30º), причем за пределами сектора ABC деформации в стружке не имеют определенного направления, изменяясь от направления AC до направления, параллельного передней поверхности инструмента в слоях, непосредственно примыкающих к передней поверхности.

Стружки скалывания образуются при обработке пластичных металлов с небольшой скоростью резания, когда удаляется слой значительной толщины инструментом с большим углом резания.

При обработке хрупких металлов (чугун, твердая бронза) образуется стружка надлома (рис. 4.4).

Рис. 4.3. Схема образования Рис. 4.4. Схема образования

стружки скалывания стружки надлома

Резец, внедрившись в обрабатываемый материал, не сдвигает элемент стружки, а вырывает его. Происходит это за счет того, что срезаемый слой при обработке хрупких материалов почти не деформируется.

Под воздействием инструмента в обрабатываемом материале возникают упругие деформации и напряжения сжатия в направлении движения резца. В перпендикулярном направлении появляются напряжения растяжения, а чугун, как известно, плохо сопротивляется растягивающим напряжениям. Потому обычно при резании хрупких материалов сопротивление отрыву в удаляемом слое будет превзойдено раньше, чем его сопротивление сдвигу, что и будет соответствовать образованию элемента стружки надлома. Поверхности разрыва новых элементов получаются неровными и зернистого строения.

Сила резания при образовании элементных стружек не постоянна, она не регулярно изменяется от минимума до максимума.

Уменьшение толщины среза или увеличение угла инструмента при резании пластичных металлов способствует появлению сливных стружек, процесс образования которых представляет наибольший практический и теоретический интерес.

Сливная стружка образуется в тех случаях, когда сопротивление сдвигам относительно не велико. В этих условиях отделение поверхностного слоя от заготовки сопровождается весьма интенсивными сдвигами, которые, однако, не приводят к нарушению сплошности образующейся стружки.

Вопрос о деформированном состоянии в срезаемом слое рассматриваем исходя из предположения, что оно является плоским.

Это достаточно точно соответствует действительности, если b больше a, когда все перемещения деформированных частиц срезаемого слоя практически происходят лишь в плоскости ZY (рис. 4.5, 4.6).

Рис. 4.5. Переходная пластически деформируемая зона в срезаемом слое металла

Рис. 4.6. Идеализированная схема превращения срезаемого слоя в сливную стружку

Частица срезаемого слоя (K), находящаяся на значительном расстоянии от режущего инструмента, свободна от напряжений и движется по направлению к инструменту с постоянной скоростью V (скорость резания). По мере приближения к режущему инструменту напряжения в рассматриваемой частице возрастают и, когда они превзойдут определенный предел, частица начнет получать пластические смещения; величина и направление скорости движения этой частицы начнут изменяться и, когда она перейдет в результате деформации в стружку (точка K′), скорость ее перемещения будет равна V_стр.

Изменение величины и направления скорости движения частицы K (от V до V_стр) происходит за время ее пребывания в некоторой переходной пластически деформируемой зоне Anm′a′, лежащей между упруго деформированными обрабатываемой деталью и стружкой (частицы срезаемого слоя, лежащие перед линией AN, деформируются только упруго; частицы, лежащие выше линии a′m′, также находятся лишь в упруго-напряженном состоянии, за исключением частиц тонкого контактного слоя, которые деформируются пластически и выше линии a′m′ вследствие трения при перемещении стружки по поверхности инструмента).

Область пластически деформируемого металла включает в себя две зоны: зону ANM, где возникает предварительная пластическая деформация сжатия под действием силы R - равнодействующей сил в зоне контакта стружки с инструментом, и зону пластических сдвигов AMm′a′, в результате которых и совершается переход частиц срезаемого слоя в частицы стружки. Сдвиг в зоне AMm′a′ происходит под действием силы R_сдв, которая является проекцией силы R на направление сдвигов.

Таким образом, пластическая деформация в переходной пластически деформируемой зоне совершается не только под действием сил, которые распределены на участке по поверхности инструмента Aa′, непосредственно контактирующим с переходной зоной, но, главным образом, под действием сил, распределенных на том участке поверхности, которая находится в контакте с уже отдеформированной и в данный момент только упруго напряженной стружкой: последние (силы) воздействуют на срезаемый слой, передаваясь на него через стружку. В этом и состоит принципиально наиболее характерная особенность процесса пластической деформации металлов при резании с образованием сливной стружки, поскольку при резании с образованием элементной стружки деформация совершается под действием сил, непосредственно приложенных к поверхности деформируемого объема.

Точные границы и форма переходной пластически деформируемой зоны пока неизвестны, но определенно установлено, что она является в условиях резания весьма узкой и имеет протяженность по толщине порядка сотых долей миллиметра. Поэтому при теоретическом анализе процесса образования сливной стружки допускают упрощения и представляют переходную пластически деформируемую зону в виде параллелограмма, а линии скольжения в ней - прямыми линиями. При относительном движении инструмента и заготовки инструмент, перемещаясь от точки a к точке A, вызовет сдвиг в отделяемом слое металла под углом ₁ к направлению относительного движения. В результате параллелограмм aAMm, принадлежащий срезаемому слою, трансформируется в параллелограмм a′AMm′, принадлежащий стружке. Когда высота h деформируемого элемента срезаемого слоя достигнет определенного значения, зависящего от свойств обрабатываемого материала, деформация этого элемента закончится, и он в целом претерпит сдвиг вдоль плоскости сдвига AM, что совпадает с началом деформации следующего элемента. Несмотря на то, что сливная стружка является сплошным телом, ее образование представляет циклический процесс. Каждый новый цикл в образовании сливной стружки начинается с деформации сжатия микрообъема металла, примыкающего к режущей кромке инструмента.

Относительное перемещение заготовки и инструмента приводит к увеличению поверхности непосредственного контакта переходной пластически деформируемой зоны с передней поверхностью инструмента, что вызывает, с одной стороны, прогрессирующее уменьшение напряжений, а также деформаций сжатия (несмотря на увеличение R) и прогрессирующее (вследствие увеличения силы R_сдв) нарастание деформации сдвига. Последнее выражается в том, что протяженность действительных линий скольжения возрастает. Наконец, создается такое положение, при котором сила R_сдв окажется достаточной для того, чтобы вызвать сдвиг по наиболее длинной линии скольжения, начинающейся у режущей кромки инструмента и выходящей на обрабатываемую поверхность заготовки. В этот момент завершится цикл образования элемента сливной стружки.

Таким образом, при образовании элемента сливной стружки имеет место наложение деформаций сжатия и сдвига, причем деформация сжатия играет существенную роль лишь в начальный момент образования элемента, основной же является деформация сдвига.

Исключительно сдвиговая деформация в срезаемом слое могла бы возникнуть лишь при том условии, что обрабатываемый металл обладал бы или бесконечно большим сопротивлением сжатию или бесконечно малым сопротивлением сдвигу, то есть свойствами, близкими к свойствам «идеальной жидкости». В этом случае пропала бы цикличность (элементность) в образовании сливной стружки. Поскольку у реальных металлов сопротивление сдвигу и сжатию - величины, хотя и различные, но соизмеримые, наличие локального сжатия деформируемой зоны срезаемого слоя и циклический характер стружкообразования являются неизбежными.