5.9. Зона стружкообразования
Рис.5.21. Изменение интенсивности деформации
по длине слоев координатной сетки срезаемого слоя
На рис.5.21 показаны типичные графики изменения интенсивности деформаций для 1-го, 2-го и 3-го горизонтальных рядов ячеек координатной сетки. Из него следует, что вдоль каждого ряда, начиная с точек А1, А2, А3, деформация возрастает, правее точек В1, В2, В3 ячейки деформации не подвергаются. При этом чем глубже в срезаемом слое находится ряд ячеек, тем меньше протяженность зон А1В1, А2В2, А3В3.
Рис.5.22. Зона стружкообразования
Клиновидная зона ОА1В1 (см. рис.5.22) с переменной, возрастающей деформацией, называется зоной стружкообразования. Линия ОА1 – начальная граница, линия ОВ1 – конечная граница зоны стружкообразования. Левее линии ОА1 – деформация ячеек равна нулю. Здесь находится срезаемый слой. Правее линии OB1 деформация ячеек постоянна, равная максимальной, и находится стружка.
Таким образом, срезаемый слой переходит в стружку в зоне стружкообразования путем увеличивающейся при перемещении от линии OA1 к ОВ1 пластической деформации. На граничной линии OB1 деформация прекращается, и лишь пограничный слой стружки претерпевает вторичную пластическую деформацию под действием силы трения стружки по передней поверхности лезвия инструмента. Пластическая деформация в зоне стружкообразования происходит в результате скольжения слоев материала вдоль множества линий скольжения. Линия ОA, соединяющая точку пересечения поверхности срезаемого слоя и стружки с точкой О, условно принята за плоскость сдвига, а угол наклона β1 назван углом сдвига. Угол сдвига β1 является важнейшей характеристикой процесса резания.
5.10. Влияние факторов процесса резания на деформацию срезаемого слоя
Влияние любого фактора на величину деформации следует оценивать с точки зрения влияния этого фактора на угол сдвига β1. Из рис.5.9 видно, что из одного срезаемого слоя толщиной а могут быть получены стружки разной толщины: а1, а'1 и а''1 в зависимости от угла сдвига. Из рис.5.9 видно, чем больше угол сдвига, тем тоньше стружка и меньше деформация. Влияние факторов процесса резания на угол сдвига выражается формулой К.А. Зворыкина:
.
В этой формуле две переменные величины: передний угол γ и угол трения ρ между инструментом и стружкой. Третья величина ρ1 - угол внутреннего трения незначительна и мало зависит от факторов процесса резания.
Передний угол в процессе резания в общем случае определяется углом заточки, установкой инструмента на станке, соотношением движений, составляющих движение резания, геометрией нароста, отношением толщины срезаемого слоя к радиусу скругления лезвия инструмента и др. Явление нароста рассмотрено позже (см.6.2). Для рассматриваемого вопроса необходимо привлечь два факта, относящихся к наросту. Первый выражается в том, что нарост образуется только при определенных условиях и существует не всегда. Второй факт состоит в том, что нарост увеличивает передний угол тем больше, чем больше его размеры.
Влияние радиуса скругления лезвия инструмента на передний угол сказывается при соизмеримых с ним толщинах срезаемого слоя. При этом чем меньше толщина срезаемого слоя, тем меньше передний угол γ (см. рис.5.23).
Рис.5.23. Влияние скругления лезвия на
действительный передний угол
при малой толщине срезаемого слоя
При оценке влияния факторов процесса резания на угол трения необходимо исходить из физической природы силы трения. По современным представлениям, сила трения стружки по передней поверхности лезвия инструмента определяется сопротивлением сдвигу материала слоев стружки, прилегающих к передней поверхности лезвия инструмента, так как движение стружки по передней поверхности лезвия инструмента происходит за счет относительного скольжения контактных слоев материала стружки. Коэффициент трения определяется при этом сопротивлением сдвигу обрабатываемого материала, которое зависит для данного обрабатываемого материала от температуры его нагрева, степени и скорости деформации. Начиная с определенной для каждого обрабатываемого материала температуры, с увеличением последней сопротивление сдвигу уменьшается и в пределе при температуре плавления определяется вязкостью расплавленного материала. В отличие от этого нормальная сила давления стружки на инструмент от температуры не зависит, так как в пределе расплавленный материал также сопротивляется сжатию, как и материал, находящийся в твердом состоянии. Поэтому при увеличении температуры, начиная с определенной для каждого обрабатываемого материала, коэффициент трения и угол трения непрерывно уменьшаются.
При оценке влияния смазывающе-охлаждающих сред (СОС) на деформацию, необходимо учитывать как смазывающий, так и охлаждающий эффекты СОС в зависимости от конкретных условий обработки и природы самой среды. Смазывающий эффект проявляется при применении различных масел в интервале сравнительно низких скоростей резания, когда среда эффективно проникает на поверхность контакта стружки с инструментом и уменьшает силу трения. Это характерно для обработки инструментами из инструментальных сталей. При обработке твердосплавными инструментами скорости резания настолько велики, что смазывающий эффект мал и имеет значение лишь охлаждающий эффект среды, приводящий к увеличению коэффициента трения. На производстве при обработке инструментами из сталей в качестве СОС применяют различные масла (минеральное, сульфофрезол и др.), а при обработке инструментами из твердых сплавов - водные растворы, обладающие охлаждающими свойствами.
Таким образом, любой фактор процесса резания оказывает влияние на угол сдвига и деформацию срезаемого слоя лишь постольку, поскольку он влияет на передний угол и угол трения.
Для иллюстрации вышеизложенного рассмотрим механизм влияния на деформацию скорости резания и подачи.
Скорость резания оказывает сильное влияние на температуру и трение между стружкой и инструментом. Температура при этом оказывает влияние как на образование нароста, так и на угол трения между стружкой и инструментом. Кроме этого, скорость резания, как уже было сказано, влияет на угол трения в области сравнительно низких скоростей резания, определяя возможность проникновения смазывающей среды в зону контакта и ее смазывающий эффект.
Рис.5.24. Влияние скорости резания
на относительный сдвиг
На рис.5.24 показана зависимость относительного сдвига от скорости резания. При увеличении скорости до V1 происходит уменьшение угла трения из-за увеличения температуры контакта инмтрумента со стружкой - деформация уменьшается. При скорости V > V1 образуется нарост, и деформация сильно уменьшается за счет увеличения переднего угла. В интервале скоростей от Vн до Vс размеры нароста уменьшаются и передний угол уменьшается. При скорости Vс нарост исчезает. При резании материалов, не склонных к образованию нароста, впадина ABC на рис.5.24 отсутствует, и зависимость относительного сдвига от скорости резания выражается пунктирной линией. В этом случае скорость резания оказывает влияние на деформацию через угол трения. Когда уменьшение угла трения за счет роста температуры при повышении скорости резания значительнее, чем возрастание угла трения за счет уменьшения смазывающего эффекта СОС, что наблюдается при обработке легкоплавких материалов: алюминиевых и магниевых сплавов в некотором интервале скоростей, наблюдается увеличение деформации при увеличении скорости резания. Однако, начиная с некоторой скорости, влияние температуры становится превалирующим.
Рис.5.25. Влияние подачи
на относительный сдвиг.
На рис.5.25 показан типичный график изменения относительного сдвига от подачи. При малых подачах S < S1, когда толщина срезаемого слоя меньше радиуса скругления лезвия инструмента, увеличение подачи в начале графика приводит к значительному увеличению переднего угла и уменьшению деформации – график круто опускается вниз. При дальнейшем увеличении подачи при S > S1 передний угол практически не изменяется, деформация при этом уменьшается за счет повышения температуры резания и обусловленного ею уменьшения угла трения. Но подача оказывает меньше влияния на температуру, чем скорость резания. Поэтому этот участок графика менее круто, чем на рис.5.20, опускается вниз.
Аналогично объясняется влияние на деформацию срезаемого слоя других факторов процесса резания.