Вредные явления происходящие в процессе резания. Омельченко И.В., Держук В.А. Процесс резания как источник электрических явлений. Конструкционные и инструментальные материалы

Протекание процесса резания обусловлено интенсивной упругой и пластической деформациями перед режущим клином с зарождением, развитием и накоплением большого количества разнообразных дефектов структуры материала у вершины режущего клина, когда плотность дефектов достигнет критической величины (рис.5).

Рис.5.Схема процесса резания:

1 - стружка; 2 - резец; 3 - заготовка; 4 - снимаемый слой материала; Р- сила, действующая на резец;  - угол заострения

С физической точки зрения процесс резания рассматривается как процесс сложнейших пластических деформаций (90%), сопровождающихся различными физическими и химическими явлениями (тепловыми, контактными, трения и др.)

Характер деформации зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, геометрии инструмента, режимов резания, условий обработки, что определяет следующие виды стружек (рис. 6):

- сливная (при обработке пластичных материалов с большими скоростями резания);

- скалывания (при обработке стали средней твердости со средними и малыми скоростями и большими подачами);

Надлома (при обработке хрупких материалов (чугуна, бронзы) и даже стали во время работы с большими подачами и очень малыми скоростями).

Укорочение и утолщение стружки по сравнению с длиной и толщиной срезаемого слоя называется усадкой стружки, которая характеризуется коэффициентом усадки, величина которого колеблется от 5 до 7.

Рис.6. Виды стружек:

а - стружка надлома; б - стружка ска­ лывания; в - сливная стружка

Силы резания

В результате сопротивления металла деформации возникают реактивные силы, действующие на резец. Эту систему сил приводят к равнодействующей силе резания R (рис.7), которую затем раскладывают на составляющие, используемые для расчетов по процессу резания: вертикальная Р z , радиальная Р y , осевая Р x .

Р z : Р y : Р x =1:0.45:0,35

R = Р z 2 + Р y 2 + Р x 2

Работа, затрачиваемая на срезание припуска с обрабатываемой заготовки:

Рис. 7. Схема сил резания

А = А у +А п +А т , где

А у – работа, затраченная на упругое деформирование;

А п – работа, затраченная на пластическое деформирование материала и его разрушение;

А т – работа, затраченная на преодоление сил трения задних поверхностей инструмента о заготовку и стружки о переднюю поверхность инструмента.

Крутящий момент на шпинделе станка:

М = P z D заг /2 1000 [ н м ], где

D заг – диаметр обрабатываемой заготовки.

5.Физические явления, сопровождающие процесс резания

1. При обработке пластичных материалов на передней поверхности инструмента может образоваться чрезвычайно наклепанный, упрочненный слой металла, который называется нарост (рис.2.4, 2.10). Он режет металл, который его породил, изменяет геометрию резца, защищает режущую кромку, но уменьшает точность обработки, ухудшает ее чистоту. Наростообразование является циклическим. При черновой обработке нарост явление положительное, при чистовой – недопустим.

Рис. 8. Схемы образования и разрушения нароста

2. Упрочнение (наклеп) при обработке резанием в результате упругопластического деформирования тонкого слоя металла.

3 . Деформирование металла приводит к наведению в поверхностном слое остаточных растягивающих (приводящих к зарождению микротрещин) или сжимающих напряжений (повышающих предел выносливости). При больших скоростях резания и отрицательном переднем угле увеличиваются сжимающиеся напряжения.

4 . Металлорежущие станки характеризуются автоколебаниями, которые являются следствием изменения сил резания из-за прерывистого характера резания, неуравновешенности вращающихся частей, погрешностей изготовления и сборки передач оборудования. Вибрации снижают стойкость режущего инструмента, ухудшают качество обрабатываемых поверхностей (рябь, волнистость), но способствует дроблению стружки, снижают сопротивление деформации, исключают возникновение нароста. Автоколебания уменьшаются с увеличением жесткости системы СПИД (станок-приспособление-инструмент-деталь), уменьшением массы заготовки, применением специальных гасителей .

5. Количество теплоты, выделяющейся в процессе резания приближенно можно определить как

Q = Р z V

Тепловой баланс процесса резания:

Q д + Q пп + Q зп = Q с + Q заг + Q и + Q л , где

Qд - количество теплоты, выделяющейся при упруго-пластических деформациях обрабатываемого материала;

Qпп - количество теплоты, выделяющейся при трении стружки о переднюю поверхность инструмента;

Qзп - количество теплоты, выделяющейся при трении задних поверхностей инструментов о заготовку;

Qс - количество теплоты, отводимое стружкой;

Qзаг - количество теплоты, отводимое заготовкой;

Qи - количество теплоты, отводимое инструментом;

Qл - количество теплоты, переходящее в окружающую среду (теплота лучеиспускания).

СОС (смазочно-охлаждающие среды) снижают трение по передней и задней поверхности инструмента, препятствуют образованию нароста, уменьшают температуру резания, увеличивают точность обработки.

а) б)

Рис. 9. Схемы подвода СОС в зону резания:

а - полив свободной струей; б - в ысоконапорное охлаждение

6. Трение при механической обработке (рис.10) приводит к изнашиванию инструмента (абразивное, окислительное, адгезионное, термическое ).

а) б)

Рис.10.Износ резца (а), изменение размеров (б) обрабатываемой заготовки

Повышение эффективности обработки материалов резанием непосредственно связано с созданием новых и совершенствованием существующих методов и средств контроля работоспособности режущего инструмента, которые должны базироваться на более глубоком представлении о физической сущности процесса резания и исследовании взаимосвязи явлений, возникающих при обработке.

Процесс резания представляет собой совокупность физико-химических явлений, в которую входят кинематика процесса резания, пластические деформации и разрушения в зоне стружкообразования, напряженное состояние инструмента и заготовки, трение, тепловые, электрические и др. явления, протекающие на контактных площадках режущего инструмента. Все они вместе взятые тесно связаны между собой и образуют единую систему резания. Структурная схема процесса резания определяет взаимосвязь между входными и выходными параметрами процесса, которые связаны между собой процессом резания (рис.1).

Входные параметры характеризуют систему ТОС – станок, приспособление, инструмент, деталь. Их можно разделить на 2 группы. Первая характеризует заготовку, параметры которой задаются конструктором (деталь Дт – ее материал и размеры) и технологом (способ получения заготовки, припуск, точность). Вторая группа характеризует станок Ст, его параметры, схему обработки Сх, инструмент Ин, режимы резания Рж, приспособление Пр, технологическую среду Ср.

Выходные параметры определяются как результат воздействия процесса резания на заготовку (они определяют ее эксплутационные характеристики: точность Тч, качество поверхностного слоя Кп (шероховатость, наклеп)) и на инструмент (его стойкость Си, прочность Пи), а также характеризуют производительность Пр и экономичность Эк процесса резания.

Рис.1 Структурная схема процесса резания

Электрические явления, сопровождающие процесс резания металлов, все более привлекают внимание исследователей. С одной стороны, возникающая термо-ЭДС является показателем средней температуры резания, характеризует степень пластической деформации, т.е. это важнейший физический фактор, характеризующий процесс резания. С другой стороны, как показали последние работы термо-ЭДС, и термотоки могут оказывать непосредственное влияние на процесс резания. Ниже предлагается глубокое теоретическое исследования электрических явлений при обработке металлов резанием.

Процессы генерирования происходят обычно с участием какого-либо внешнего источника, энергия которого расходуется на разрывы, электрических связей, существующих между зарядами в веществе. При резании металлов такой внешней энергией является механическая энергия, затрачиваемая на процесс отделения стружки от заготовки.

В металлических кристаллах все электроны энергетически расположенные в зоне проводимости. Распределение этих электронов по энергетическим состояниях зоны проводимости определяется распределением состояний в зоне и вероятностью их заполнения. Распределение состояний характеризуется функцией плотности состояний g(Е е), которая имеет вид параболы (рис. 2) И выражается в виде

(1)

де m d - ефективная масса плотности сотояний электронов;

h - постояная Планка;

Е е - енергия электрона.

Физический смысл энергии Ферми (рис.3) соответствует самому верхнему уровню проводимости, заполненным электронами при нулевой температуре.

Рис. 2 График функции плотности сотояний g (Е е) .

Рис. 3 Зависимость энергии электрона Е е от температуры Ө .

Значение энергии Ферми определяется следующим образом

, В, (2)

где n е - концентрация электронов.

В общем виде энергия электрона определяется как

, В, (3)

Первое слагаемое в формуле (3) характеризует среднюю энергию электрона при нулевой температуре и называется “нулевой” энергией, которая имеет квантовую природу. “Нулевая” энергия зависит от концентрации свободных электронов и эффективной массы плотности состояний электронов. Пластические деформации возникая в процессе резания металлов увеличивают плотность дислокации на четыре порядка, при этом изменяется величина эффективной массы плотности состояний электронов, что и позволяет некоторым электронам приобрести энергию достаточную для преодоления потенциального барьера и выйти на границу раздела между инструментом и деталью. Описанный процесс – это процесс электризации, что происходит при резании.

Второе слагаемое в формуле (3) зависит от температуры и характеризует “тепловую” энергию электрона. Сравнение величин “тепловой” и “нулевой” энергии электронов показывает, что даже при температурах плавления “тепловая” энергия электрона составляет единицы процентов от “нулевой” энергии. Такая слабая чувствительность электронов в металлах к нагреву вытекает из самого характера функции распределения электронов. Несмотря на то, что значение “тепловой” энергии невелико, все же малая часть электронов приобретает энергии, превышающей среднюю и может оказаться достаточной для преодоления сил, препятствующих выходу электронов из металла. Хотя таких электронов мало, но именно они обусловливают процесс термоэлектронной эмиссии, основным законом которой является формула Ричардсона-Дэшман, характеризующий зависимость тока эмиссии от температуры и работы выхода электрона. Термоэлектронная эмиссия является одним из компонентов термоэлектрической составляющей ЭДС резания, которую до недавнего времени считали основной причиной генерирования электрических сигналов при резании. Приведенный выше анализ показывает, что при резании металлов, когда температура в зоне контакта инструмента с деталью не превышает температуру плавления, энергия электрона определяется прежде всего “нулевой” энергией, которая зависит от степени пластической деформации.

Термоэлектрические явления связаны с возникновением электродвижущих сил в цепи разнородных проводников, в которых имеется градиент температуры, является эффектом Зеебека. Эффект оборотного выделения или поглощения теплоты в спае двух разнородных металлов, когда через него протекает электрический ток открытый Пельтье. Эффект Пельтье не является контактным явлением, а зависит от свойств металлов пары. Третий термоэлектрический эффект – эффект Томсона, который заключается в оборотном выделении или поглощении теплоты в однородном проводнике, по которому протекает электрический ток, при одновременном наличии градиента температуры. Несомненно, что эти термоэлектрические эффекты имеют место при резании металлов и изменят долю термоэлектрической составляющей в интегральной ЭДС резания.

Как уже отмечалось, энергию электрона можно изменить под действием пластической деформации. Это явление называется низкотемпературной (экзоэлектронной) эмиссией или эффектом Крамера. Экзоэлектронная эмиссия возникает в результате искажения электронного энергетического спектра твердого тела и последующей перестройкой его электронной структуры, связанной с появлением дефектов. Именно пластическая деформация, сопровождающая процесс резания металлов, приводит к появлению и размножению дефектов кристаллической решетки металла, что увеличивает плотность дислокаций на четыре порядка. Итак, пластическая деформация при стимулировании температурой, окислением, фазовыми превращениями является основным видом энергетического воздействия, ответственным за эмиссию так называемых “экзоэлектронов” при резании металлов.

В работе указывается, что при резании металлов в плоскости скольжения локализован поток дефектов кристаллической решетки, который возбуждает электроны металла, что и является основной причиной возникновения электрических сигналов при резании.

Эмиссия высокоэнергетических электронов может возникнуть в высоком вакууме. Высокий вакуум при резании образуется тогда, когда основным видом износа является адгезия. При разрыве адгезионного шва в микроскопических объемах как бы вдавливается воздух. Учитывая, что в зазоре между обертками условного конденсатора возникает энергетическое поле, то эмиссию быстрых электронов можно отождествить с автоэлектронной эмиссией. Автоэлектронная эмиссия является чисто квантовым эффектом, связанным волновыми свойствами электронов, и роль электрического поля сводится к формированию соответствующего потенциального барьера. Внешнее ускоряющее электрическое поле снижает потенциальную энергию за пределами твердого тела и меняет форму потенциального барьера, что влечет за собой образование потока свободных электронов.

Появление ЭДС в твердых телах вследствие увеличения элементарных носителей электрического заряда звуковыми и ультразвуковыми волнами, носит название акустоэлектрического эффекта или эмиссией волн напряжений, и является четвертой причиной генерирования электрических сигналов при резании.

Эмиссия волн напряжения возникает при резании за счет образования волн механического напряжения, когда точки фактического контакта инструмента с деталью деформируются. В работе отмечается, что, если локальный давления на контакте не превышает предела упругости мягкого материала, то в материале от деформирующего контакта распространяться упругая волна. Если давление достигает предела текучести материала, то в объеме тела распространяться две волны напряжения: упругая и за ней пластическая. Лебедев И.А. получил зависимость для разности потенциалов, возникающих под действием эмиссии волн напряжения. Анализ полученной зависимости показывает, что разность потенциалов от эмиссии волн напряжения зависит от электрических и акустических свойств материала, а также от интенсивности волн при взаимодействии поверхностей.

При обработке металлов возникают колебания и волны различных частот, поэтому ЭДС от эмиссии волн напряжения состоят из суммы ЭДС соответствующим всем составляющим спектра частот. Это одна из причин того, что в ЭДС резания присутствует переменная составляющая в широком диапазоне спектра частот.

Переменная составляющая ЭДС резания характеризует колебания энергии на контактных поверхностях режущего инструмента и детали. Величина и характер изменения переменной составляющей ЭДС резания зависит от тех факторов, влияющих на величину износа режущего инструмента. К таким факторам относятся: физико-механические свойства инструмента и детали, а также их неоднородность, давление, фактическая площадь касания, скорость относительного движения, вибрации, состояние контактирующих поверхностей, процессы схватывания и разрушения и так далее.

Впервые переменную составляющую ЭДС, по трению металлов, исследовал Дубинин А.Д. Дубинин А.Д. указывает, что нахождение зависимостей изменения потенциалов в поверхностных слоях пар, которые труться от различных факторов позволит установить связь изменения этих потенциалов величиной износа поверхности, что трется, поскольку прирост потенциала характеризует процесс увеличения энергии в поверхностном слое трущейся пары, и эквивалентна величине количества массы в поверхностном слое, разрушаемой в процессе трения. Все что было сказано в отношении процесса трения можно перенести и на процесс резания.

Таким образом ЭДС резания можно представить в виде суммы ЭДС, возникающих в результате:

1) термоэлектрических явлений, включая термоэлектронной эмиссии (Е Т)

2) экзоэлектронной эмиссии (Е ЕК);

3) автоэлектронной эмиссии (Е АВ)

4) эмиссии волн напряжений (Е ХН) и выражается в виде

Е = Е Т + Е EK + Е АВ + Е XH , В, (4)

резания 20, 50 и 100 м/мин, причем в зоне появления нароста вместе с фактическим значением ЭДС – Е Ф для данной скорости, учитывали и гипотетическую ЭДС – Е Ф, которая соответствует отсутствию нароста. По относительному увеличению ЭДС резания, которое характеризовали отношением ЭДС для двух выбранных скоростей резания 50 и 100 м/мин, расположили обрабатываемые материалы.

Наибольший прирост ЭДС соответствует мелкозернистой стали 8ХФ, молибдена, бериллия, пластической стали 10 и никеля. Стали, близкие по химическому составу, прежде всего по содержанию углерода и хрома расположены рядом. Стали с повышенным содержанием углерода инструментальные и отличающихся высокой износостойкостью стоят на первом месте, тогда как мелкозернистые и пластические замыкают ряд. Иными словами, наблюдается та же тенденция, что и для материала инструмента твердых сплавов. Увеличение карбидообразующих элементов и зерна в обрабатываемом материале вызывает рост ЭДС. При обработке таких материалов кривая Е(V) значительно раньше скорости резания достигает точки перегиба и насыщения. Для этих материалов отношение Rо/Rк, характеризующая площадь контакта, будет меньшим, чем для мелкозернистых и пластических материалов. Нагрузка на контакт, определяемое сечением среза, реализуется на меньшей фактической площади, что создает условия для реализации в контакте максимального числа микро выступлений, и насыщение кривой Е(V) происходит при меньшей скорости.

Общность, присущая механизму влияния на ЭДС как обрабатываемого материала, так и материала инструмента находится в хорошей соответствии с предложенной моделью генерации ЭДС, которая является принципиально симметричной относительно контактирующих поверхностей.

По этой причине при контакте одноименных материалов в зоне умеренных скоростей, сигнал носит знакопеременный характер. Выявленая ​​общность позволяет сделать вывод о симметричности процесса резания с точки зрения генерирования ЭДС, который является специфической фрикционной парой. Тогда влияние карбидообразующих элементов связано с стирающим действием обрабатываемого материала. При сравнении ЭДС резания для частей одного прутка стали 40Х, который подвергли различной термообработке, наблюдаются две тенденции: увеличение ЭДС с ростом твердости обрабатываемого материала и рост ЭДС с увеличением зернистости перелита и переходом его в пластическое состояние. Известно, что параллельно увеличивается и истирающая способность стали 40Х. Однако основным механизмом влияния твердости обрабатываемого металла на ЭДС является повышение давления на поверхности раздела. Экстремальные истирающие условия создали при обработке чистового кремния. При этом ЭДС резания достигает сотен милливольт, то есть увеличивается на порядок. Исходя из термоэлектрической модели, полярность ЭДС резания аномальная, а ее величина дает минимально возможную температуру резания более 2300 °С, что лишено какого-либо смысла.

Следовательно, сопоставление традиционных характеристик обрабатываемости металлов с ЭДС резания позволяет сделать вывод о том, что она отражает реальное изменение их свойств в процессе обработки, т.е. является информативным сигналом.

Экзоэлектронная, автоэлектронная эмиссии и эмиссия волн напряжения влияют на “нулевую” энергию электрона, а термоэлектрические явления изменяют долю “тепловой” энергии в общей энергии электрона. До недавнего времени считали основной причиной генерирования электрических сигналов при резании термоэлектрические явления (Е = Е Т). Однако, все четыре составляющие равноценны и к тому же взаимосвязаны между собой. Одни и те же контактные поверхности инструмента с деталью могут быть источниками генерирования термоэлектронов, экзоэлектронов, автоэлектронов и электронов волн напряжения. Представленный выше анализ показывает, что энергия электрона, определяющий электрические явления при резании, зависит от концентрации электронов в материале инструмента и детали, температуры и степени пластической деформации.

1. Кретинин О.В., Еленин А.П. Выбор параметров для оценки износа инструмента в процессе обработки // Станки и инструмент 1981 № 2, с. 18-19.
2. Васильев С.В. ЕДС и температура резания // Станки и инструмент, 1980, № 10, с.20-22.
3. Николаев О.С. Критическое состояние металлов // Серия “Relata Refero”, 2006.
4. Лебедев И.A. Про один механизм электрического возбуждения твердых тел в условиях трения // Электрические явления при трении, резании и смазке твердых тел. М.: Наука, 1973.-с.21-25.
5. Костецкий Б.И. Износостойкость деталей машин // М.: Машгиз, 1950 – с. 168.
6. Васильев С.В. Исследования электрических явлений при резании для коррекции режимов обработки // Методические рекомендации М.: ЕНИМС, 1981. – с.15.

Процесс резания (стружкообразования) является сложным физическим процессом, сопровождающимся большим тепловыделением, деформацией металла при образовании стружки, износом режущего инструмента и наростообразованием на резце. Знание закономерностей процесса резания и сопровождающих его явлений позволяет рационально управлять этим процессом и обрабатывать детали более качественно, производительно и экономично.

В процессе резания различных материалов могут образовываться следующие основные виды стружек: сливные, скалывания и надлома.

Рис 1. Типы стружек: а -- сливная, б -- скалывания, в -- надлома

Сливная стружка (рис. 1 а) образуется при резании вязких и мягких материалов, например мягкой стали, латуни. Резание протекает обычно при высокой скорости. Чем больше скорость резания и вязкость обрабатываемого металла, меньше угол резания и толщина среза, выше качество смазочно-охлаждающей жидкости, тем стружка ближе к сливной.

Стружка надлома (рис. 1 в) образуется при резании хрупких металлов, например серых чугунов. Такая стружка состоит из отдельных, почти не связанных между собой элементов. Обработанная поверхность при образовании такой стружки получается шероховатой, с большими впадинами и выступами. В определенных условиях, например при обработке чугунов средней твердости, стружка надлома может получиться в виде колец. Сходство со сливной стружкой здесь только внешнее, так как достаточно слегка сжать такую стружку в руке и она легко разрушится на отдельные элементы.

Стружка скалывания (рис. 1 б) занимает промежуточное положение между сливной стружкой и стружкой надлома и образуется при обработке некоторых сортов латуни и твердых сталей с большими подачами и относительно малыми скоростями резания. С изменением условий резания стружка скалывания может перейти в сливную и наоборот.

Под действием режущего инструмента срезаемый слой металла подвергается сжатию. Процессы сжатия (как и процессы растяжения) сопровождаются упругими и пластическими деформациями.

При обработке режущий инструмент деформирует не только срезаемый слой, но и поверхностный слой материала обрабатываемой детали. Глубина деформации поверхностного слоя металла зависит от различных факторов и может достигать от сотых долей до нескольких миллиметров.

Под действием деформации поверхностный слой металла упрочняется, увеличивается твердость и уменьшается пластичность, происходит так называемый наклеп обрабатываемой поверхности.

Чем мягче и пластичнее обрабатываемый металл, тем большему наклепу он подвергается. Чугуны обладают значительно меньшей способностью к упрочнению, чем стали. Величина и глубина наклепа увеличиваются с увеличением подачи и глубины резания и уменьшаются с увеличением скорости резания. Глубина наклепа увеличивается примерно в 2--3 раза при работе тупым режущим инструментом, чем при работе острым. Смазочно-охлаждающие жидкости уменьшают глубину и степень упрочнения.

При некоторых условиях резания на передней поверхности режущей кромки резца налипает обрабатываемый материал, образуя так называемый нарост . Он имеет клиновидную форму, по твердости превышает в 2--3 раза твердость обрабатываемого материала. Являясь как бы продолжением резца, нарост изменяет его геометрические параметры (д 1 <д), участвует в резании металла, влияет на результаты обработки, износ резца и силы, действующие на резец.

Усадка стружки является важным параметром, определяющим ход протекания процесса резания. Так, изменение усадки стружки влечет за собой изменение сил резания, качества обработанной поверхности, стойкости режущего инструмента и т. п. Коэффициент усадки стружки определяется отношением длины обработанной поверхности к длине стружки и может быть в пределах от 1,1 до 10. Чем больше коэффициент усадки стружки, тем ниже твердость материала, выше пластичность, а обрабатываемость резанием - лучше.

На коэффициент усадки стружки влияют различные параметры резания, например, при увеличении переднего угла резца коэффициент усадки уменьшается, а при увеличении радиуса закругления вершины резца - увеличивается, при увеличении толщины среза коэффициент усадки уменьшается.

Физические явления, возникающие

В процессе резания

В процессе резания происходит деформирование и разрушение материала заготовки, сопровождающееся рядом физико-химических явлений :

1) в деформированном объеме заготовки возникает сложнонапряженное состояние материала, имеют место упругие и пластические деформации, происходит хрупкое и вязкое разрушение. На обработанной поверхности образуется шероховатость, а в поверхностном слое заготовки происходит изменение текстуры, структуры и всех теплофизических и электрофизических свойств;

2) в зоне резания возникает неоднородное температурное

поле. Имеет место сложная схема распространения тепловых потоков и создаются особые условия теплопередачи между инструментом, стружкой и поверхностным слоем детали;

3) трение в области контакта инструмента и материала заготовки происходит при больших давлениях и температурах. Иногда возникает особый вид трения неокисленных поверхностей – чистое трение;

4) при определенных условиях резания на передней поверхности клина возникает слоистое металлическое образование, называемое наростом. Нарост изменяет геометрию клина и влияет на условия обработки;

5) происходят различные виды разрушения (износа) клина, возникающие под действием истирания, царапания, адгезии, диффузии и других явлений;

6) применение СОЖ сопровождается физико-химическими явлениями, возникающими при соприкосновении смазочно-охлаждающих веществ с нагретыми поверхностями инструмента и заготовки;

7) в системе станок – приспособление – инструмент – деталь (СПИД) могут возникать вынужденные колебания и автоколебания, ухудшающие процесс резания.

Стружкообразование

При обтекании режущего лезвия инструмента часть деформированного материала перемещается по его передней поверхности, превращаясь в стружку, а другая часть, находящаяся ниже линии среза, движется по его задней поверхности и образует поверхностный слой детали.

Стружкообразование и формирование поверхностного слоя детали являются единым процессом деформирования и разрушения материала при резании.

Типы стружек

В зависимости от условий резания заготовок образуются различные виды стружки. Под условиями резания материалов следует понимать: режим резания, схему резания, геометрию режущего инструмента, свойства инструментального и обрабатываемого материалов и смазывающе-охлаждающее технологическое средство (СОТС).

Впервые классификацию стружек дал в 1870 г. русский ученый И.А. Тиме в своей монографии «Сопротивление материалов и дерева резанию». Все возникающие при резании стружки можно разделить на четыре типа: сливную, элементную суставчатую, элементную скалывания и надлома.

Сливная стружка. Сливная стружка имеет вид непрерывной ленты, у которой на верхней и боковых сторонах четко выражены следы пластической деформации в виде мелких заостренных выступов (рис. 14). Обработанная поверхность заготовки при образовании стружки данного типа имеет гладкий и блестящий вид. Сливная стружка образуется при резании вязких и пластичных материалов с большими скоростями резания , средними и малыми подачами при больших положительных передних углах инструмента.

Стружка элементная суставчатая. Элементная суставчатая стружка имеет вид отдельных, четко выраженных элементов, прочно связанных друг с другом (рис. 15). Обработанная поверхность заготовки при образовании такой стружки содержит небольшое количество надрывов. Элементная суставчатая стружка образуется при обработке пластичных материалов с большими и средними скоростями резания, средними подачами и с большими и средними передними углами.

Стружка элементная скалывания. Стружка имеет вид отдельных, относительно правильной формы элементов, несвязанных

друг с другом (рис. 16). После формообразования обработанная поверхность заготовки получается шероховатой с надрывами. Этот вид стружки образуется при обработке материалов средней пластичности при средних и низких скоростях резания, средних и больших подачах и малых передних углах .

Резание металлов представляет собой сложный процесс, сопровождающийся многими внутренними и внешними явлениями . При этом имеют место три стадии деформации срезаемого слоя: упругая, пластическая, и разрушения.

Характер и величина деформации зависят от физико-химических свойств обрабатываемого материала, режимов резания, геометрии инструмента, применяемых смазочно-охлаждающих жидкостей. Металлические материалы, являясь поликристаллическими телами с зернистой структурой, имея различные кристаллические решетки, по-разному пластически деформируются под действием инструмента; по-разному происходят превращения в срезаемом слое (стружке) и под обработанной поверхностью. При резании металлов и их сплавов отдельные кристаллы деформируются, а затем разрушаются по кристаллографическим плоскостям.

Процесс резания металла можно представить следующей схемой.

Рис. 1, Рис. 2.

В начальный момент, когда движущийся резец под действием силы Р (рис. 1) вдавливается в металл, в срезаемом слое возникают упругие деформации Увеличение же деформирующей силы приведет к внутрикристаллической деформации в зернах, плоскости скольжения в которых расположены менее благоприятно.

Дальнейшее повышение нагрузки вызовет разрушение зерен, а также перемещение и поворот их относительно друг друга. Происходит изменение структуры и физико-механических свойств тела - образование текстуры, возникновение внутренних напряжений, повышение твердости, понижение пластичности, уменьшение теплопроводности.
В плоскости, совпадающей с траекторией движения вершины резца, возникает касательные и нормальные напряжения.
τmax в точке А, по удалению падают.

σy в начале действуют как растягивающие (+σ), что при определенных условиях может вызвать «раскалывание» металла - опережающую трещину в направлении внешней силы.
От в точке А, затем уменьшаются, переходят через 0, превращаются в напряжения сжатия (-σ).
Возрастание пластической деформации приводит к сдвиговым деформациям. Различные физические явления, сопутствующие деформациям срезаемого слоя, находятся в следующей зависимости: характер получающихся стружек, их усадка, завивание, упрочнение.

Выделение тепла, действующего на инструмент, срезаемый слой на обрабатываемую поверхность и прилегающий к ней верхний слой материала изделия.
Образование нароста.

Упрочнение поверхностного слоя, возникновение остаточных напряжений, явление отдыха (разупрочнение и рекристаллизация).
Трение стружки о переднюю поверхность инструмента и трение задней поверхности инструмента о поверхность резания.
Возникновение вибраций.

Наибольшие пластические деформации возникают в зоне стружкообрвзования АВС (рис 1) Зона деформирования ограничивается линией АВ, вдоль которой происходят первые сдвиговые деформации, и линией АС, вдоль которой происходят последние сдвиговые деформации.
В момент, когда пластические деформации достигнут наибольшей величины, а напряжения превысят силы внутреннего сцепления зерен металла, зерна смещаются относительно друг друга и скалывается элементарный объем (Рис 2). Далее процесс деформирования повторяется и образуется стружка.
При больших скоростях резания считают, что сдвиги идут не по АВ и АС, а по 00 -плоскость сдвига, θ-угол сдвига.
Установлено русским К А Тиме, К. А Зворыкиным.

Срезаемый слой, превратившись в стружку, подвергается дополнительной деформации вследствие трения стружки о переднюю поверхность инструмента. Зерна вытягиваются по плоскости О1О, которая составляет с плоскостью сдвига ОО угол β.
Таким образом, резание это процесс последовательного деформирования срезаемого слоя металла; упругого, пластического, разрушения - зависит от свойств материала. У хрупких металлов пластические деформации практически отсутствуют.
Для сталей средней твердости θ-30°, β зависит от свойств обрабатываемого материала и угла резания

Тепловые явления

Механическая работа затрачиваемая на срезание с заготовки припуска превращается в тепловую энергию.
Количество теплоты, выделяющееся в процессе резании, приближенно можно определил, из выражения Q=Pz V Дж/мин. Тепловой баланс процесса резания:

Q=Qд+QП.П+Qз.т=Qс+Qзаг+QИ+QЛ

Qд - количество теплоты, выделяющееся при упруго-пластических деформациях;
QП.П - количество теплоты при трении о переднюю поверхность;
Qз.т - количество теплоты при трении инструмента о заготовку;
Qс -количество теплоты, отводимое стружкой;
Qзаг - количество теплоты, отводимое заготовкой;
QИ - количество теплоты, отводимое инструментом; .
QЛ- теплота лучеиспускания - переходит в окружающую среду.

Значения слагаемых зависят физико-механических свойств материала, инструмента, режимов, геометрии и тд.
В зависимости от режимов стружкой отводится 25-95% всей теплоты, заготовкой -10-50% инструментом 2-8%.
Тепловыделения отрицательно сказываются на процессе резания.

Лезвие нагревается до Т0=800-10000С. Ускоренный износ, структурные превращения приводят к потере режущих свойств.
Изменяются геометрические размеры заготовки Наибольшее влияние на Т 0С оказывает V Наименьшее - глубина резания.