В процессе пластической деформации
5.3. Механизм образования стружки
В общем случае процесс резания состоит из последовательно происходящих этапов: врезание лезвия, стационарный процесс резания и выход инструмента. Первый и последний этапы являются кратковременными переходными процессами. Они имеют значение для прерывистых процессов резания: фрезерования, строгания и др. Здесь рассматривается механизм стружкообразования в стационарном процессе резания.
Рис.5.6. Стадии образования стружки
При движении лезвие инструмента воздействует на срезаемый слой передней поверхностью через стружку – впереди лезвия создается движущееся в срезаемом слое сложное напряженное поле, напряжения в котором постепенно затухают при удалении от лезвия. На рис 5.6а пунктирными линиями OB1 и OB2 показаны линии действия равных касательных напряжений в упругой зоне OBB2, а сплошными – в пластической зоне OBA2, в которой касательное напряжение по мере приближения к лезвию из-за упрочнения обрабатываемого материала постепенно возрастает. Деформации в упругой зоне OBB2 незначительные, а в пластической зоне OBA2 существенные и видны невооруженным глазом. Они обнаруживаются по искривлению линии ВA1. В точке B (см. рис.5.6а) начинается искривление. При переходе от точки B к точке A2 угол Ψ наклона касательной к кривой BA2 возрастает, что свидетельствует об увеличении деформации при переходе от точки B к точке A2. Таким образом, по мере приближения к передней поверхности лезвия инструмента деформация срезаемого слоя возрастает, происходит упрочнение материала срезаемого слоя. Если около линии OA2 деформация достигает предельной, то в материале срезаемого слоя, расположенного выше линии OA2, пластическая деформация происходить не может – происходит разрушение путем сдвига элемента стружки 2 относительно срезаемого слоя вдоль линии ОA2. В точке A2 верхняя часть стружки смещается относительно нижней. На рис.5.6б это смещение показано в виде отрезка A2A2'. Вследствие того, что результирующая сила Р, действующая со стороны лезвия на срезаемый слой, оказывает на последний внецентренное сжатие, в окрестности точки A2 (см. рис.5.6б) возникают нормальные напряжения растяжения, а в окрестности точки О – нормальные напряжения сжатия. Первые способствуют разделению материала в точке A2, вторые, наоборот, препятствуют этому. Поэтому в окрестности точки A2 нарушается сплошность материала и нередко наблюдаются трещины. После начала разрушения материала в точке A2 при движении лезвия элемент 2 движется относительно срезаемого слоя – расстояние A2A2' увеличивается. Начало кривой перемещается из точки B в точку B1. В некоторый момент относительное скольжение элемента 2 заканчивается, расстояние A2A2' больше не увеличивается, формирование стружки в элементе 2 заканчивается. Описанный процесс повторяется в другом объеме срезаемого слоя. Таким образом, в процессе образования стружки в срезаемом слое происходит пластическая деформация, сопровождающаяся упрочнением материала. В начальный момент деформация происходит сравнительно легко, но затем сопротивление пластической деформации вследствие упрочнения материала возрастает и достигает максимального значения в момент разделения материала в точке A2. Характер изменения силы резания показан на рис.5.7, из которого, учитывая вышеописанное, можно заключить, что процесс резания имеет периодический характер. Период тем больше, чем больше шаг выступов стружки.
Рис.5.7. Колебание силы резания в связи с периодическим
характером образования стружки:
1 – для суставчатой стружки; 2 – для сливной стружки
В срезаемом слое при образовании стружки происходит относительное скольжение слоев. Направления скольжения в различных местах срезаемого слоя разные. На рис. 5.6а они показаны сплошными линиями. Область скольжения в срезаемом слое определяется начальной границей OB и конечной границей OA2. Процесс стружкообразования и скольжения в срезаемом слое можно охарактеризовать усредненным направлением OA, характеризуемым углом β1. Плоскость ОA называется плоскостью сдвига, а β1 – углом сдвига. Угол сдвига β1 – важнейшая характеристика процесса стружкообразования. Предложено несколько формул одинакового структурного содержания для определения угла сдвига β1. Впервые такую формулу получил русский ученый К.А. Зворыкин, исходя из предположения, что углу β1 соответствует такое направление скольжения, при котором затраты энергии на процесс резания минимальны. Она имеет вид
β1 = 45˚ + |
γg |
– |
ρ + ρ1 |
, град, (5.1) |
2 |
2 |
где γg – действительный передний угол;
ρ – угол трения между резцом и стружкой;
ρ1 – угол внутреннего трения, характеризующий увеличение сопротивления скольжению слоев материала, вызванное действием нормального напряжения сжатия на поверхности сдвига.
|
Рис.5.8. Схема деформации простого сдвига:
а – при действии только сдвигающей силы Т;
б – при одновременном действии сдвигающей
T + T и нормальной Р сил
Смысл ρ1 можно уяснить из рис. 5.8. Пусть на стержень ABCD из обрабатываемого материала (см. рис. 5.8а), закреплённый основанием AD, действует сдвигающая сила T и происходит деформация простого сдвига, характеризующаяся углом Ψ. Если же к этому стержню приложить силу сжатия Р, то для осуществления той же деформации потребуется большая сила T + T (см.рис. 5.8б). Коэффициент внутреннего трения при этом определяется μ1 = T/Р, а угол внутреннего трения ρ1 = arctg μ1.