Распределение напряжений при резании металлов

Представление о величине средних нормальных и касательных напряжений, действующих на инструмент, является очень важным, однако эти напряжения неравномерно распределены на площадке контакта, и необходимо знать это распределение. Были разработаны методы измерения распределения напряжений для определенных упрощенных лабораторных условий. Один из этих методов — поляризационно-оптический предусматривает применение инструмента из полимера, например поливинилхлорида. Вследствие низкого предела прочности полимера и его быстрого падения с ростом температуры такие инструменты могут применяться только для обработки мягких материалов с низкой температурой плавления (таких, как свинец и олово) и с низкими скоростями резания.

На рис. 4.7 представлена фотография модели инструмента, сделанная в монохроматическом свете при обработке свинца со скоростью 3,1 м/мин и подачей 0,46 мм/об. Темные и светлые полосы — области равных напряжений в инструменте, по которым может быть определено распределение нормальных и касательных напряжений. Эпюра распределения найденных напряжений дана на рис. 4.8.

Распределение нормальных напряжений сжатия было измерено также за счет применения резцов из сталей разной твердости. Если инструмент имеет достаточную твердость, он только упруго деформируется во время резания, но если твердость низкая, то режущая кромка подвергается пластической деформации. Распределение напряжений может быть определено путем обработки заготовки группой инструментов с убывающим пределом текучести с последующим измерением величины остаточной деформации каждой режущей кромки. Этот способ применяется для определения распределения напряжений в инструментах для обработки меди, алюминия и некоторых их сплавов. При этом применяются только низкие скорости резания, чтобы избежать нагрева инструмента, сказывающегося на изменении предела текучести. Результаты серии испытаний с различными металлами и сплавами приведены на рис. 4.9.

Несмотря на то, что оба метода применимы для ограниченного ряда металлов и режимов резания, результаты исследований будут полезны. Они служат доказательством того, что нормальные напряжения сжатия максимальны возле режущей кромки и уменьшаются вдоль передней поверхности до нуля в месте, где прерывается контакт стружки с резцом. По-видимому, такое распределение напряжений является общим при резании без образования нароста. Нормальные напряжения сжатия на режущей кромке часто вдвое или даже больше превышают средние напряжения. Действующие на передней поверхности касательные напряжения, вероятно, меньше изменяются на площадке контакта, однако распределение напряжений в этой зоне может быть значительно усложнено чрезмерно крутым градиентом температуры и сложной картиной пластических деформаций.

Очень высокий уровень нормальных напряжений сжатия объясняется условиями схватывания на передней поверхности, особенно возле режущей кромки. Можно провести сравнение наблюдаемого явления с процессом сварки трением, при котором соединение происходит за счет вращения одной поверхности по другой под давлением. Для стали, например, полное сваривание может быть достигнуто при относительной скорости двух поверхностей 16—50 м/мин и напряжении 45—75 Н/мм2. Напряжение на передней поверхности у режущей кромки резца при обработке стали может в 5 или 10 раз превышать эти значения. Поэтому условия схватывания являются обычными условиями, сопровождающими процесс резания.

Существующие представления о напряжениях и распределении напряжений на поверхности раздела инструмент— заготовка слишком ограничены, чтобы позволить проектировать инструмент на основе значений местных напряжений. Даже для простейших типов инструментов было получено только несколько оценок с применением плоской модели, в которой не учитывается влияние вершины инструмента, и скорости настолько малы, что температурой можно пренебречь. Однако существующий уровень знаний полезен для анализа износа инструмента и его повреждения, требований к свойствам инструментальных материалов и анализа влияния геометрии инструмента на его качество.