11. Процесс резания как система

11.1. Взаимосвязь, взаимовлияние и взаимообусловленность явлений в процессе резания

В предыдущих главах даны описание процесса стружкообразования и его математический анализ, изложен вопрос о напряженном состоянии в срезаемом слое металла и силах резания, проанализированы тепловые явления и температурные поля в стружке обрабатываемой детали и режущем инструменте. Однако до сих пор каждая из сторон единого процесса резания освещалось изолированно, вне связи с другими сторонами. Теперь появилась необходимость раскрыть теснейшую связь и сложную взаимообусловленность явлений при резании металлов.

Влияние контактной температуры на различные факторы процесса резания. Соберем заново основные математические зависимости, которые были получены или приводилось в предыдущих главах:

 = ctg₁+tg(₁ - ), (4.1)

K_L = cos(₁ - )/sin₁, (4.3)

R = _сдвab/(cos( + ₁ -)sin₁), (5.6)

N = _сдвabcos/(cos( + ₁ - )sin₁), (5.7)

F = _сдвabsin/(cos( + ₁ - )sin₁), (5.8)

Р_z = _сдвabcos( - )/(cos( + ₁ - )sin₁)+ F₁, (5.9)

Р_y = _сдвabsin( - )/(cos( + ₁ - )sin₁)+ N₁, (5.10)

_Nср = _сдвtg( + ₁ -)/2, (5.12)

_Fср = tg_Nср, (5.12)

 = 2acos/(sin( + ₁ - )sin₁), (5.12)

₁ = (Y - 1)(90 - )/Y +  при ₁  , (5.32)

₁ = (2Y - 2)(90 - )/(2Y - 1)+  при ₁  , (5.34)

_стр.тр = F(V)^1/2/(b(cdK_L)^1/2. (11.1)

Рассмотрим эти зависимости одновременно. Допустим, что каким – то путем (пусть за счет изменения применяемой охлаждающей среды) нам удалось изменить контактную температуру стружки. Может ли ограничиться только этим результат нашего вмешательства в ход процесса резания? Отнюдь нет, так как с этого начинается цепь взаимодействий, которая в силу самой природы явлений, происходящих в процессе резания, приведет к многосторонним изменениям в нем.

Действительно, с контактной температурой стружки тесно связана величина среднего коэффициента и угла трения на передней поверхности инструмента, следовательно, последний также претерпит изменения. Но это означает, что изменится угол сдвига, согласно зависимостям (5.32) и (5.34); усадка стружки и относительный сдвиг, а также все характеристики пластической деформации срезаемого слоя металла при превращении его в стружку, согласно зависимостям (4.1) и (4.3); равнодействующая сил на передней поверхности инструмента и ее составляющие, согласно зависимостям (5.6), (5.7) и (5.8); длина контакта стружки с передней поверхностью инструмента, а также удельные нормальные и касательные нагрузки в зоне контакта, согласно зависимостям (5.12). Как видим, длинная цепь следствий одной причины налицо. Но дело этим еще не исчерпывается.

Мы установили, что одним из следствий изменения контактной температуры явилось изменение сил на передней поверхности инструмента, в том числе и силы трения. Это означает, что изменилось теплообразование в зоне контакта стружки с инструментом, а, следовательно, и контактная температура, согласно зависимости (11.1). Здесь следствие и причина поменялись местами: контактная температура повлияла на силу трения, последняя повлияла на контактную температуру. Правда, эта связь может только усилить или ослабить первоначальное изменение температуры, но не может повлиять на направление (знак) этого изменения.

Еще один подобный пример: в результате изменения контактной температуры изменился угол трения, повлиявший на величину контактных нормальных давлений, но эти последние, в свою очередь, повлияли на коэффициент и угол трения, т.е. опять имеет место диалектическое соотношение между причиной и следствием.

В предыдущих рассуждениях имелась в виду обработка резанием металла, не создающего нароста на передней поверхности инструмента, если же нарост возникает, то связи и взаимодействие факторов процесса резания становятся еще более сложными. В этом случае изменение контактной температуры, вызывая изменения в условиях трения в зоне контакта стружки с инструментом, влияет на величину и устойчивость образующего нароста. Это в свою очередь, с одной стороны, оказывает влияние на фактический передний угол инструмента и, с другой стороны, на величину неровностей на обработанной поверхности детали. Последнее означает, что с изменением контактной температуры будет изменяться еще и качество обработанной поверхности.

Влияние на процесс резания переднего угла инструмента. Ясное понимание всеобщей взаимосвязи и взаимообусловленности явлений – главное в науке о резании металлов; только на этой основе можно осмыслить влияние и роль каждого из факторов, в том числе и главнейших, к которым относятся передний угол инструмента, скорость резания и толщина среза.

Непосредственное (прямое) влияние переднего угла на процесс резания заключается в том, что он определяет направление движения частиц металла, перешедшего в стружку. Пусть передний угол имеет большую величину (рис. 11.1, а). Здесь невелико различие между направлениями движения частиц срезаемого слоя до того, как они попали в переходную пластически деформированную зону (т.е. скорость резания V), и после того, как, попав в переходную зону, они получили еще скорость сдвига V_с и перемещаются по выходе из этой зоны с результирующей скоростью V_стр.

Если же передний угол мал (рис. 11.1, б), то разница в направлении и величине скоростей V и V_стр весьма значительна.

а) б)

Рис. 11.1. Влияние переднего угла лезвия инструмента

на процесс резания

Ясно, что в первом случае передний угол большой) интенсивность деформации металла в переходной зоне будет относительно меньшей, а во втором случае (передний угол мал) – относительно большей. Соответственно изменяются силы и работа резания, напряжение и температура на контактных поверхностях и др.

Опосредованное (косвенное) влияние переднего угла заключается в следующем. Непосредственное его влияние вызывает то, что при увеличении  возрастают нормальные контактные давления и температура на передней поверхности инструмента. В результате этого уменьшается средний угол трения в зоне контакта стружки с инструментом. Одновременно возрастает фактор упрочнения стружки. Последнее объясняется тем, что в результате непосредственного влияния переднего угла усадка стружки, а следовательно, и ее толщина увеличиваются. Это ведет к тому, что прочность стружки на сдвиг увеличивается, так как сильно прогретой от теплоты трения оказывается относительно (в долях) меньшая ее часть, а большая часть будет прогрета только теплотой деформации, т.е. до относительно низкой температуры. Уменьшение угла трения и увеличение фактора упрочнения вызывает увеличение угла сдвига, т.е. уменьшение интенсивности деформации, уменьшение сил резания, контактных напряжений и температуры и т.д. Таким образом, опосредованное виляние переднего угла на процесс резания сдерживает (уменьшает) его непосредственное влияние, в связи с чем результатирующее влияние переднего угла оказывается не столь результативным, особенно при высоких скоростях резания.

Влияние скорости резания на процесс резания. Скорость резания влияет на процесс резания также непосредственно и опосредованно.

Непосредственное влияние скорости резания заключается в ее воздействии на размеры и положение переходной пластически деформируемой зоны.

Для того чтобы проиллюстрировать это, представим переходную зону в форме усеченного клина (рис. 11.2).

Рис. 11.2. Влияние скорости резания V на угол сдвига ₁

По линии максимальных касательных напряжений AN (нижняя граница переходной зоны) действуют напряжения

 = _Т , т.е. равные сопротивлению пластической деформации неупрочненного металла; по линии аn (верхняя граница переходной зоны) – напряжения  = _сдв, равные сопротивлению пластической деформации металла, упрочненного в соответствии с полученной степенью деформации.

При очень малой скорости резания частицы срезаемого слоя медленно пересекают переходную зону, и деформации в ней точно соответствуют действующим напряжениям, возрастающим от линии AN к линии аn, поэтому и сама переходная зона занимает положение ANnа.

При высокой скорости резания частицы обрабатываемого материала столь быстро проходят линию AN, что пластические деформации в ней не успевают произойти и начинаются позже на линии AM, где действуют большие касательные напряжения. Это означает, что нижняя граница переходной зоны смещается из положения AN в положение AM. Подобно этому смещается и верхняя граница переходной зоны из положения аn в положение аm, а в целом зона займет положение AMmа. При этом усадка стружки уменьшается. Зону AMmа мы представляем в форме параллелограмма, границы которого составляют угол ₁ со скоростью резания. Сказанное выше означает, что с увеличением скорости резания угол сдвига увеличивается, а размеры переходной зоны уменьшаются.

Опосредованное (косвенное) влияние скорости резания заключается в следующем. Увеличение угла сдвига обусловливает рост нормальных контактных напряжений согласно уравнению (5.12), увеличивается также контактная температура согласно уравнению (11.1). По этим двум причинам уменьшается средний угол трения. Одновременно возрастает фактор упрочнения, во – первых, вследствие усиления адиабатического эффекта при пластической деформации металла в переходной зоне, во – вторых, вследствие усиления неравномерности прогрева стружки по толщине от теплоты трения и уменьшения температуры в большей части сечения стружки.

Возрастание фактора упрочнения и уменьшения угла трения приводит к дальнейшему увеличению угла скольжения согласно уравнениям (5.32) и (5.34). Суммарное влияние скорости резания на угол сдвига оказывается, таким образом, весьма значительным, хотя оно и несколько скрадывается при больших передних углах инструмента.

Увеличение угла сдвига обусловливает уменьшение интенсивности деформации срезаемого слоя и усадки стружки, уменьшение сил резания, но увеличение при этом контактных напряжений, так как длина контакта согласно уравнению (5.12) уменьшается еще более значительно, чем силы резания.

При обработке материалов, создающих нарост, скорость резания оказывает громадное влияние на величину и устойчивость нароста со всеми вытекающими отсюда последствиями (см. разд. 4).

Влияние толщины среза на процесс резания. Толщина среза влияет на процесс резания, главным образом, опосредственно (косвенно).

Увеличение толщины среза усиливает неравномерность прогрева стружки по толщине от теплоты трения, что обусловливает возрастание фактора упрочнения, а следовательно, и угла сдвига, согласно уравнениям (5.32) и (5.34).

Рост угла сдвига вызывает увеличение нормального давления, согласно уравнению (5.12), что способствует уменьшению среднего угла трения. Последнее, в свою очередь, вызывает дополнительное увеличение угла сдвига. Суммарное увеличение угла сдвига предопределяет уменьшение усадки стружки и относительного сдвига, т.е. интенсивности пластической деформации срезаемого слоя при превращении в стружку.

Силы резания возрастают, но рост этот не прямо пропорционален увеличению толщины среза, а происходит в замедленном темпе, так как вследствие увеличения угла сдвига ₁ площадь сдвига ab/sin₁ растет медленнее, чем толщина среза.

Влияние физико-механических свойств обрабатываемого металла на процесс резания. Одним из важнейших следствий развитых теоретических положений является возможность раскрытия, в более или менее конкретной форме, связи, которая существует между процессом резания металлов и их физико-механическими свойствами.

Все показатели интенсивности пластической деформации срезаемого слоя при превращении его в стружку зависят от величины относительного сдвига , т.е., в конечном итоге, от величины угла сдвига ₁. Последний, в свою очередь, определяется фактором упрочнения Y и углом трения между стружкой и передней поверхностью инструмента .

В пределах одной и той же группы обрабатываемых металлов, по-видимому, большее влияние на угол ₁ оказывает изменение угла трения , резкая же разница в интенсивности деформации срезаемого слоя, наблюдаемая при обработке различных групп материалов, обусловлена преимущественно различием в величине фактора упрочнения Y.

Фактор упрочнения увеличивается при уменьшении температуропроводности, повышении температуры рекристаллизации, а также жаропрочности и предела текучести на сдвиг обрабатываемого металла. Теплопроводность у таких металлов, как медь, высока, а температура рекристаллизации относительно низка. Процесс пластической деформации здесь приближается к изотермическому. При статических испытаниях предел текучести на сдвиг_Т у меди низок: она пластически деформируется уже при малых нагрузках, но в условиях резания под влиянием упрочнения, а также в результате действия высокой скорости деформации величина _сдв становится весьма значительной и многократно превосходит _Т. При переходе деформированных слоев меди в стружку температура ее понижается не сильно, возможно даже увеличение температуры в значительной части стружки по толщине от теплоты трения, что будет связано с явлениями разупрочнения. В результате _{сдв.стр} окажется весьма близким к _сдв и фактор упрочения будет близок к единице со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Противоположной обработке меди является обработка титана. Ввиду низкой теплопроводности титана процесс пластических сдвигов в срезаемом слое, совершающийся, к тому же, с исключительно высокими скоростями, является почти адиабатическим. При этом теплота, выделяющаяся на плоскостях сдвига, вызывает появление там высоких температур. Несмотря на то, что модуль упрочнения у титана не ниже, чем у меди и углеродистых сталей, сопротивление титана пластической деформации в условиях резания растет слабо, так как здесь наряду с упрочнением действует эффект размягчения, снижающий величину _сдв. Однако, перейдя в стружку, пластически деформированные слои охладятся, поскольку часть тепла, выделившегося в процессе деформации, останется в детали. При этом, вследствие относительно высокой температуры рекристаллизации титана, эффект упрочнения частично восстановится, и сопротивление сдвигу _{сдв.стр} материала стружки окажется значительно более высоким, чем _сдв. В результате величина фактора упрочнения Y будет весьма большой, а интенсивность пластической деформации срезаемого слоя при превращении его в стружку – наименьшей. Увеличению Y также способствует то, что нагретая стружка титана склонна к поглощению кислорода и азота воздуха. Это вызывает ее дополнительное охрупчивание и повышение _{сдв.стр}.

Абсолютная величина составляющих силы резания зависит не только от интенсивности пластической деформации срезаемого слоя, но и от абсолютной величины сопротивления обрабатываемого металла пластической деформации в условиях резания (см. раздел 5).

Поэтому, например, некоторые металлы, обладающие низким _сдв, не вызывают при обработке появления очень больших сил резания, несмотря на то, что срезаемый слой весьма интенсивно деформируется, прежде чем отделиться от заготовки. Наоборот, некоторые металлы, при резании которых срезаемый слой относительно слабо деформируется, вследствие высоких значений _сдв вызывают появление очень значительных сил резания. Однозначной связи между силами резания и механическими свойствами обрабатываемого материала не имеется.

Напряжения, возникающие в рабочей части инструмента, зависят, как показывает анализ, от величины максимального нормального давления _Nmax и распределения давлений в зоне контакта стружки с инструментом. Закономерности изменения контактных нагрузок на инструмент не совпадают с закономерностями изменения абсолютной величины сил резания: в то время как абсолютная величина сил резания возрастает при увеличении _сдв интенсивности пластической деформации срезаемого слоя (т.е. при уменьшении ₁), величина контактных нагрузок растет при увеличении _сдв и при уменьшении интенсивности пластической деформации срезаемого слоя (т.е. при увеличении ₁), если последнее является следствием увеличения фактора упрочнения Y. Следовательно, при резании таких металлов, как медь, возникают наименьшие, а при резании титана и жаропрочных сплавов – наибольшие напряжения в рабочей части инструмента. Последнее ограничивает возможность применения для резания жаропрочных сплавов высокотеплоустойчивых и износостойких, но относительно малопрочных инструментальных материалов (металлокерамические твердые сплавы, минеральная керамика).

Контактная температура возрастает с увеличением _сдв, фактора упрочнения Y (угла сдвига ₁), угла трения  и при уменьшении теплопроводности и плотности обрабатываемого металла. Следовательно, она наиболее высокой будет опять – таки при обработке титана, жаропрочных сталей и сплавов и им подобных металлов.

Обычные машиноподелочные стали по всем показателям процесса резания занимают промежуточное положение между высокотеплопроводными металлами (например, медь) и низкотеплопроводными металлами (например, титан, а также жаропрочные стали и сплавы).

В теснейшей связи и взаимозависимости факторов процесса резания заключена возможность активного управления им. Действительно, для того чтобы уменьшить шероховатость обработанной поверхности, мы применяем смазочно-охлаждающие жидкости с высокими смазочными свойствами или повышаем (а иногда сильно понижаем) скорость резания. Почему эти меры оказываются действенными? Только вследствие той связи, которая существует между сознательно изменяемыми факторами (скорость резания, смазочно-охлаждающая жидкость), наростом на передней поверхности инструмента и шероховатостью обработанной поверхности.

Еще пример. В подповерхностном слое детали возникают внутренние напряжения, чаще это бывают напряжения растяжения, но имеется возможность путем изменения переднего угла инструмента (уменьшение его до – 30) и увеличения скорости резания (до 300 и выше м/мин) создать такие температурные условия в подповерхностных слоях, когда там будут совершаться структурные превращения с увеличением объема, что приведет к появлению напряжений сжатия, благоприятно отражающихся на эксплуатационных свойствах детали.

Из всего сказанного следует, что процесс резания материалов представляет из себя целостную систему, в которой все явления взаимосвязаны и взаимообусловлены.