НАПРЯЖЕНИЯ И СИЛЫ ПРИ СТРУЖКООБРАЗОВАНИИ

Изучение связи напряжений и деформаций, имеющих место при резании материалов, позволяет по величине степени деформации определять силу резания и ее составляющие, уровень нагрузки на механизмы станка, а главное, силовую и тепловую нагрузку на отдельные части инструмента, установить закономерности износа инструмента и другие важные характеристики процесса резания в их связи с параметрами режима резания v, s, t.

Используя схему резания с условной плоскостью сдвига (см. рис. 2.2), рассмотрим схему силового взаимодействия инструмента с обрабатываемым материалом, представив ее в сечении плоскостью, перпендикулярной к режущей кромке (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Схемы силового взаимодействии режущего клина с обрабатываемым материалом

С момента начала контакта инструмента с заготовкой на передней поверхности инструмента возникает сила резания (сгруж- кообразования) R, которую можно представить как геометрическую сумму сил нормального давления N и трения F: R = N + F .

В этом случае угол г| между силами N и F - угол трения, а lgr| = F/N = х - коэффициент трения.

Действие силы R на стружку вызывает появление напряжений в условной плоскости сдвига ОА, для определения величины которых перенесем силу резания R в точку пересечения с условной плоскостью сдвига и разложим ее на составляющие Р_г, действующую вдоль этой плоскости, и Р,, перпендикулярную к ней (рис. 2.12). Тогда составляющая

где т - касательное напряжение на условной плоскости сдвига;/; - площадь сдвига, ; а, b - соответственно толщина и ширина срезаемого слоя.

Составляющая

где a.v - нормальное напряжение сжатия на условной плоскости сдвига.

Многочисленные эксперименты показали, что независимо от условий резания (обрабатываемый материал, скорость резания, толщина и ширина срезаемого слоя, передний угол инструмента) распределение касательного напряжения т по длине условной плоскости сдвига примерно равномерное (рис. 2.13).

Распределение нормальных напряжений a_v имеет более сложный характер и зависит от степени деформации и режима резания. Так, например, при малой степени деформации (резание на микро- скоростях с большим передним углом) нормальные напряжения вдоль условной плоскости сдвига ct,v могут принимать положительные и отрицательные значения. При больших степенях деформации и применяемых на практике скоростях резания нормальное напряжение a_N имеет положительное значение и распределяется примерно так же равномерно, как и касательное напряжение. Влияние нормального напряжения ст_л- на величину касательного напряжения т экспериментально не установлено [14].

Рис. 2.14. Типичная кривая пластического течения:

/ - упрочняющийся материал;

2 - идеально пластичный материал

Наибольший интерес для практики представляют вопросы влияния на величину касательного напряжения т упрочнения обрабатываемого материала в процессе его деформирования, а также температуры резания и скорости деформирования.

Известно, что при пластическом деформировании большинство металлов склонно к упрочнению, и поэтому по мере увеличения степени деформации е, нормальное напряжение ст, растет по типичной кривой 1, представленной на рис. 2.14.

Эти кривые аппроксимируют для различных схем пластического деформирования степенной функцией

где В - коэффициент, зависящий от предела текучести ст, деформируемого материала; е, - степень деформации; п - показатель степени упрочнения материала.

Применительно к процессу резания при плоском деформированном состоянии уравнение (2.20) можно заменить зависимостью

где т - касательное напряжение; в - относительный сдвиг.

Попытки определения касательных напряжений т при резании на основе лабораторных механических испытаний, проведенных при растяжении и сжатии, оказались неудачными. Единую кривую течения, включающую процесс резания, построить не удалось [10, 14, 29]. Однако в результате этих исследований установлено, что при резании различных металлов и сплавов с ростом деформации касательные напряжения возрастают не всегда. У некоторых металлов касательные напряжения остаются постоянными, как у идеально пластического тела (рис. 2.14, прямая 2), а у некоторых сталей даже несколько снижается. Н.Н. Зорев предложил рассчитывать среднее значение касательных напряжений при резании по приближенной эмпирической зависимости [10, 22]:

где Hi, 5 - сопротивление сдвигу при механических испытаниях для деформации относительного сдвига г = 2,5.

А. М. Розенберг и Л.А. Хворостухин экспериментально установили следующую зависимость между твердостью стружки по Виккерсу HV и средним касательным напряжением в зоне сгруж- кообразования при резании сталей, чугуна, меди и алюминия [28]:

Эксперименты показали, что влияние температуры на снижение среднего касательного напряжения при резании предварительно нагретого металла становится заметным, если температура превышает 700 °С. Исключение составляет сталь 110Г13Л, при резании которой касательное напряжение т резко падает, начиная с температуры более 600 °С.

Расчеты температуры в зоне сдвига при резании других сталей на самых напряженных режимах показали, что они не выходят за пределы 700 °С [25, 29], даже если процесс считать адиабатическим, г.е. осуществляемым без опока теплоты. Если же учитывать отток теплоты, то температура в зоне сдвига будет ниже указанной. Кроме того, из-за высокой скорости деформации процесс деформирования в зоне сдвига протекает в очень короткий промежуток времени (тысячные доли секунды). Поэтому за такой чрезвычайно малый отрезок времени, в течение которого частицы металла проходят через зону сдвига, снижение твердости и напряжения под влиянием нагрева не происходит.

Влияние скорости деформации на повышение напряжения сдвига было доказано экспериментально только при резании легкоплавких металлов (свинца, алюминия). При резании металлов с большей температурой плавления (сталь, медь и др.) эго влияние отсутствует [28].

По данным зарубежных исследователей (Е.М. Trent, E.J. Ami- ni и др.) [33] при изменении в широком диапазоне скорости и подачи напряжение сдвига при резании металлов и сплавов изменяется весьма незначительно. Значения этого напряжения не более чем на 10 % отличаются от напряжений сдвига тех же материалов, измеренных при стандартных лабораторных механических испытаниях при соответствующих величинах деформаций. Примерные значения напряжений сдвига т, измеренные с помощью динамометра, при резании ряда материалов приведены в табл. 2.1 [33].

2.1. Значении напряжений сдвига т для некоторых обрабатываемых материалов

Для расчета напряжений сдвига т воспользуемся схемой сил, действующих на передней поверхности резца (рис. 2.15). Здесь сила резания (стружкообразования) R помещена на вершину режущего клина и представлена в виде двух составляющих: 1) действует в направлении вектора скорости резания v ; 2) Р, - действует в направлении подачи , перпендикулярно к вектору скорости v. При этом

С учетом уравнений (2Л 8) и (2Л 9), а также углов действия со* и наклона условной плоскости сдвига Ф (см. рис. 2.12):

Из этих зависимостей следует, что касательные напряжения и размеры срезаемого слоя а и b прямо пропорционально влияют на силу резания (стружкообразования) R и ее составляющие Р и Рг- Более сложное влияние на их уровень оказывает деформация срезаемого слоя, определяемая углом наклона условной плоскости сдвига Ф, а также направление действия силы резания (стружкообразования) R, определяемое углом действия со = rj — у. Величина последнего зависит от условий трения на передней поверхности режущего клина и переднего угла (рис. 2.15).

Силу стружкообразования R можно рассчитать по уравнению (2.24), предварительно замерив динамометром составляющие Р и Pi- Для нахождения угла действия со нужно найти угол трения г| по формуле tgr) = F/N . Составляющие этой формулы можно найти по величине силы резания (стружкообразования) R:

Угол действия со - это угол между вектором силы резания (стружкообразования) R и вектором скорости резания v .

Рис. 2.15. Схема сил, действующих на передней поверхности резца при свободном резании

Содержащиеся в скобках этих уравнений безразмерные величины можно определить следующим образом: 1) угол Ф определяется по уравнению (2.4) с предварительным замером коэффициента усадки стружки К при заданном значении угла у; 2) угол г| определяется по уравнению tgr| = tg(co + у), где tgco = Р₂ / .

Из схемы действия силы резания (стружкообразования) R и ее составляющих (рис.2.15) видно, что величина силы R изменяется при изменении переднего угла у и режима резания (v, а, Ь), а также свойств обрабатываемого материала. Последние определяют изменение степени деформации при переходе срезаемого материала в стружку (угол Ф), условий 'фения на передней поверхности (угол р) и переднего угла у инструмента; указанные углы тесно взаимосвязаны между собой.

Любые изменения условий трения на передней поверхности инструмента немедленно сказываются на величине деформации стружки, а любые изменения в области стружкообразования - на условиях трения в области контакта стружки с передней поверхностью. Таким образом, имеет место строгая взаимосвязь между зоной деформации сдвига и зоной контакта стружки с передней поверхностью инструмента. Влияние последней на величину деформации и силы иногда может быть даже более значительным, чем напряжение сдвига т. Например, напряжение сдвига при резании меди почти в 2 раза меньше, чем при резании стали (см. табл. 2.1). Но гак как усадка стружки К, определяемая условиями трения на передней поверхности (углы р и со), при резании меди больше примерно в такое же число раз, то составляющие силы резания R в обоих случаях одинаковы.

Угол действия со определяет положение условной плоскости сдвига и направление силы резания (стружкообразования) R. При увеличении этого угла и повороте вектора силы R против часовой стрелки усадка стружки К и относительный сдвиг е увеличиваются, а угол Ф и составляющая Pi уменьшаются.

Таким образом, условия трения стружки о переднюю поверхность инструмента оказывают существенное влияние на силу резания (стружкообразования) Р и ее составляющие Р, и Р₂ при одном и том же значении переднего угла у.