Физическая сущность резания металлов

Резание металлов представляет собой разрушение на границе между срезаемым слоем и остающейся частью металла. Это разрушение наступает, когда напряжение в граничном слое достигает предела прочности. Ему предшествуют упругая и пластическая деформации, которые выходят за пределы области наибольших напряжений и последующего разрушения металла и распространяются в срезаемый слой и под поверхность резания. Упругая и пластическая деформации при резании металлов подчиняются общим физическим законам деформации металлов.

В зависимости от характера нагружения и от соотношения величин растягивающих и касательных напряжений деформируемый металл находится в хрупком или пластическом состоянии, и разрушение происходит путем отрыва или путем среза. При большом отношении нормального напряжения к касательному разрушение происходит путем отрыва. И если при этом касательное напряжение не достигает предела текучести, то разрушение происходит без предварительной пластической деформации и является хрупким разрушением. Если же касательное напряжение превышает предел текучести, то разрушению путем отрыва предшествует пластическая деформация. При небольшом отношении нормального напряжения к касательному разрушение происходит путем среза. Ho так как касательное напряжение превосходит предел текучести, то разрушению путем среза всегда предшествует пластическая деформация. Таким образом, один и тот же металл в связи с тем, что хрупкость и пластичность являются не свойством, а состоянием вещества, может в зависимости от приложенной силы и характера нагружения разрушаться как хрупкий и как пластичный.

Наибольшие касательные напряжения действуют в плоскости, расположенной под углом в 45° к направлению деформирующей силы.

Пластическая деформация происходит следующим образом. Металл поликристаллического строения состоит из отдельных кристаллитов. Действующие силы могут преодолевать сопротивление на границах кристаллитов, т. е. создавать межкристаллитную деформацию, но могут вызвать и сдвиги по плоскостям скольжения внутри самих кристаллитов, т. е. создать внутрикристаллитную деформацию. Если межкристаллитная деформация является преобладающей, то разрушение металла происходит раньше сколько-нибудь значительного изменения формы деформируемого тела. Если, наоборот, преобладает внутрикристаллитная деформация, то деформируемое тело претерпевает значительное изменение формы.

Изменение вследствие пластической деформации формы тела с поликристаллическим строением сопровождается упрочнением и напряженным состоянием металла. В то же время, при определенной для каждого металла температуре начинают действовать разупрочнение, иначе называемое отдыхом или возвратом, и рекристаллизация. Разупрочнение и рекристаллизация проявляются по-разному. Разупрочнение не изменяет формы кристаллитов и их ориентации, созданных пластической деформацией, и не устраняет происшедших в металле межкристаллитных и внутрикристаллитных изменений. Оно только снимает часть остаточных напряжений и уменьшает упрочнение. Во время пластической деформации упрочнение сопровождается разупрочнением. Рекристаллизация не только снимает остаточные напряжения, но И изменяет форму кристаллитов, придавая вытянутым при пластической деформации кристаллитам сферическую форму.

Пластическая деформация подчиняется определенной закономерности. Если цилиндрический образец сжимать последовательно нарастающей силой, то высота образца постепенно уменьшится. Зависимость деформации образца от напряжения выражается кривой, которая называется политропой сжатия (рис. 264). При этом условным пределом текучести называется напряжение, которое соответствует началу пластической деформации, если закон политропы действовал бы на всей кривой. Политропическая зависимость выражается уравнением

где P — сжимающая сила, кг;

h — высота образца, мм;

m — показатель политропы сжатия.

Если заменить силу в левой части уравнения напряжением и площадью, то

где о0 — условный предел текучести, кг/мм2;

f0 — площадь поперечного сечения образца, мм2.

Следовательно, деформирующая сила



Деформации, имеющие место при резании металлов, протекают в соответствии с общими положениями пластической деформации и подчиняются общим закономерностям.

В срезаемом слое металла, который находится перед режущим инструментом, возникают под действием передней поверхности инструмента упругая и пластическая деформации. Наибольшей деформации подвергается та часть срезаемого слоя, которая непосредственно прилегает к передней поверхности инструмента и находится перед его лезвием (рис. 265). Когда в этой части напряжение на границе между срезаемым слоем и основным металлом аb достигает предела прочности, происходит отделение элемента срезаемого слоя а bс d от остающейся части металла, и граничная поверхность его аb смещается по передней поверхности инструмента, занимая новое положение ag. Одновременно происходят перемещения по плоскостям скольжения внутри элемента. Расстояние между ними меняется в широких пределах в зависимости от свойств обрабатываемого металла, параметров инструмента и условий резания, главным образом скорости резания. Плоскости скольжения образуют с направлением резания угол O1, что предопределяется направлением наибольших касательных напряжений, и поэтому угол O1 в какой-то степени приближается к теоретической величине этого угла 45°, хотя и зависит от свойств обрабатываемого металла, переднего угла инструмента, толщины срезаемого слоя и скорости резания.

Скольжение внутри элемента увеличивает его длину с bс до ае, что вызывает между соседними элементами полное или частичное разрушение по поверхности ad, носящей название плоскости скалывания. Положение плоскости скалывания составляет с направлением резания угол O, имеющий более или менее постоянную величину, незначительно изменяющуюся в зависимости от свойств обрабатываемого металла, условий внешнего и внутреннего трения, переднего угла инструмента, толщины срезаемого слоя и скорости резания. Меньшее сокращение толщины элемента на участке соприкосновения с передней поверхностью инструмента обусловлено местом приложения деформирующей силы. Таким образом, элемент срезаемого слоя abcd, имевший до деформации форму параллелограмма превращается в результате деформации в трапециевидный элемент стружки а е f g.



Так как каждый элемент стружки представляет собой элемент срезаемого слоя после его деформации и отделения от остающейся части металла, то и вся стружка является ни чем иным, как продеформированным срезаемым слоем, отделенным от основного металла.

Вызываемое перемещениями по плоскостям скольжения внутри элемента его удлинение влечет за собой разрушение между; соседними элементами по плоскости скалывания ad. Если в результате этого разрушения каждый элемент полностью отделяется от следующего, то такая стружка называется элементной. Если начавшееся разрушение не приводит к полному разделению соседних элементов и они остаются связанными между собой, то получается стружка скалывания. Она имеет гладкую поверхность на стороне, обращенной к режущему инструменту, а на противоположной стороне — зазубрины, как результат неполного разрушения между элементами, и шероховатые следы скольжения. Если происходящее в плоскости скалывания разрушение между элементами незаметно и видна только шероховатость, вызванная смещениями по плоскостям скольжения внутри элемента, то такая стружка называется сливной.

Надо сказать, что принципиальных различий между тремя видами стружки нет, один вид переходит в другой и все они могут быть получены при резании одного и того же металла путем, изменения параметров режущего инструмента и условий резания. Так, изменение положения передней поверхности инструмента, характеризуемое увеличением переднего угла, меняет вид стружки, превращая ее сначала из элементной в стружку скалывания и затем в сливную. В том же направлении влияют увеличение толщины срезаемого слоя и увеличение скорости резания.

Элементную стружку, стружку скалывания и сливную стружку получают в результате пластической деформации и разрушения металла путем среза, когда касательные напряжения преобладают над нормальными. Ho если соотношение между касательными и нормальными напряжениями таково, что преобладают последние, то разрушение металла происходит путем отрыва. Получающаяся при резании хрупких металлов стружка состоит из отдельных мало деформированных элементов с неровной поверхностью на стороне, обращенной к режущему инструменту. Она называется стружкой надлома.

Происходящие внутри каждого элемента перемещения по плоскостям скольжения увеличивают длину каждого элемента и тем самым увеличивают толщину стружки по сравнению с толщиной срезаемого слоя. Происходящее при этом уменьшение толщины каждого элемента уменьшает длину стружки по сравнению с длиной срезаемого слоя, поскольку стружка представляет собой совокупность отдельных элементов. Таким образом, пластическая деформация при резании металлов уменьшает длину срезаемого слоя, превращенного в стружку, и увеличивает его толщину и незначительно ширину. Соотношение размеров Срезаемого слоя и стружки называется усадкой срезаемого слоя, которая хотя и не дает количественного выражения степени пластической деформации, но все-таки ее характеризует. Различаются продольная, т. е. по длине, и поперечная, т. е. по ширине и толщине, усадки срезаемого слоя:

где е1 — продольная усадка срезаемого слоя;

l — длина срезаемого слоя, мм;

lстр — длина стружки, мм;

где eb — усадка срезаемого слоя по ширине;

bстр — ширина стружки, мм;

b — ширина срезаемого слоя, мм;

где еа — усадка срезаемого слоя по толщине;

астр — толщина стружки, мм;

а толщина срезаемого слоя, мм.

Величина пластической деформации, а следовательно, и усадка срезаемого слоя зависят от физико-механических свойств обрабатываемого металла, параметров режущего инструмента и условий резания.



Деформированный срезаемый слой, превращаясь в стружку, скользит по передней поверхности режущего инструмента. Вместе с тем под влиянием образующегося при резании металлов тепла состояние трущихся поверхностей металла и инструмента изменяется, и тонкий слой металла, соприкасающийся с передней поверхностью инструмента, вследствие нагревания становится особенно пластичным. Вызываемое трением торможение этого слоя создает на передней поверхности инструмента у его лезвия застой металла, называемый наростом (рис. 266). Нарост не отделяется от деформированного металла и при непрерывном пополнении его новым металлом из области деформации все время сохраняет свои форму и размеры. Строение нароста отличается От строения основного металла и от строения стружки. Ввиду уплотненности он имеет большую твердость. Нарост образуется с самого начала резания, постепенно увеличивается и частично внедряется в поверхность резания, а частично сходит со стружкой. По достижении наибольших размеров он разрушается и сходит или со стороны задней и передней поверхностей инструмента или только по его передней поверхности.

Нарост видоизменяет форму режущей части инструмента и изменяет условия резания. С этой стороны образование нароста может рассматриваться и как положительное, и как отрицательное явление. Нарост изменяет форму передней поверхности инструмента и увеличивает передний угол. Это облегчает сход стружки. Кроме того, нарост защищает лезвие от непосредственного действия образующегося тепла и от истирания его стружкой, что увеличивает износоустойчивость режущего инструмента. В то же время нарост увеличивает радиус округления лезвия и этим усложняет деформацию металла перед ним. Нарост ухудшает чистоту поверхности вследствие образования на ней задиров и впрессовывания в нее отделившихся частиц нароста. Поэтому при обдирочной работе, где чистота поверхности не играет роли, а важным является сохранение в тяжелых условиях работы режущей способности инструмента, образование нароста можно считать полезным. При чистовой работе, наоборот, главным является получение чистой поверхности, а сохранение износостойкости режущего инструмента теряет свое значение, ввиду небольшого сечения срезаемого слоя и, следовательно, облегченных условий резания. Поэтому при чистовой работе образование нароста является вредным. Нарост не образуется при малых и при больших скоростях резания. Следовательно, хорошую чистоту поверхности можно получить при слесарной обработке, выполняемой с небольшой скоростью резания, и при механической обработке, выполняемой, наоборот, с большой скоростью.



Упругая и пластическая деформации при резании металлов не ограничиваются плоскостью скалывания, а распространяются за нее в срезаемый слой и ниже его — под поверхность резания (см. рис. 240, б). Распространение деформаций перед режущим инструментом и под ним имеет затухающий характер. Деформированный поверхностный слой имеет вследствие упрочнения измельченное строение. Упрочнению все время сопутствует разупрочнение. Ho последнее, частично снимая остаточные напряжения, не устраняет происходящее при пластической деформации разрушение исходного строения и раздробление кристаллитов. Только в случае высокой температуры резания появляющаяся рекристаллизация восстанавливает первоначальную форму кристаллитов.

Вызванное пластической деформацией упрочнение внешне Еыражается в повышении твердости деформированного поверхностного слоя. Соответственно затухающему распределению деформаций твердость упрочненного поверхностного слоя также уменьшается по мере удаления от поверхности резания. Поверхностное упрочнение металла повышает усталостную прочность детали пси условии достаточной чистоты обработанной поверхности.



Высота неровностей на поверхности резания находится в глубокой физической связи с пластической деформацией и упрочнением поверхностного слоя и зависит прежде всего от тех же влияющих условий, от которых зависят пластическая деформация и упрочнение. Кроме того, поскольку обработанная поверхность является совокупностью неполных и полных поверхностей резания, образованных главным и вспомогательным лезвиями, то ее чистота, т. е. форма и высота неровностей, находятся в геометрической связи с формой режущей части инструмента и с размером подачи (см. рис. 247). При прямых лезвиях режущего инструмента обработанная поверхность представляет собой чередующиеся неровности треугольной формы (рис. 267). Каждый треугольник образован проекцией подачи s на плоскость, перпендикулярную направлению резания, проекцией оставшейся части поверхности резания, образованной главным лезвием и проекцией поверхности резания, образованной вспомогательным лезвием. Проекции поверхностей резания на плоскость, перпендикулярную направлению резания, так же как и проекции лезвий на эту плоскость, образуют с проекцией подачи главный ф и вспомогательный ф1 углы в плане. Проведенный из вершины треугольника на его основание перпендикуляр А делит проекцию подачи на отрезки s1 и s2. Из построения следует, что

Так как высота треугольника А является высотой неровностей, то, следовательно, чистота обработанной поверхности будет лучше с уменьшением подачи и уменьшением углов в плане. Ho уменьшение подачи соответственно понижает производительность. Во избежание этого оно компенсируется увеличением скорости резания, что само по себе улучшает чистоту поверхности. На этом основании построена работа узким чистовым резцом с малой подачей и большой скоростью резания. Чрезмерное уменьшение главного угла в плане приводит к возникновению вибраций, которые ухудшают чистоту поверхности. В таких многолезвийных инструментах, как развертка, несмотря на очень малый главный угол в плане, вибрация не возникает ввиду того, что силы резания уравновешиваются их противоположным направлением. Уменьшение вспомогательного угла в плане осуществлено при работе широким чистовым резцом с большой подачей и при .работе разверткой. У обоих инструментов вспомогательный угол в плане равняется 0°. На этом же основании создана конструкция проходного резца с ломанными лезвиями для получистовой работы с большой подачей.



Рабочие поверхности металлорежущего инструмента во время резания находятся в непрерывном соприкосновении с обрабатываемым металлом и, таким образом, возникает трение. Трущимися поверхностями являются, с одной стороны, задние поверхности инструмента и поверхности резания, образованные на заготовке лезвиями инструмента, и с другой стороны, передняя поверхность инструмента и поверхность стружки. Трущиеся поверхности представляют собой свежеобразованные металлические поверхности. Ведь, действительно, только что образованные при разрушении деформированного граничного слоя новые поверхности резания и гладкая поверхность стружки немедленно через десятитысячные доли секунды приходят в соприкосновение с задними и передней поверхностями инструмента. Кроме того, сами поверхности соприкосновения в результате трения непрерывно изнашиваются и, все время обновляясь, образуют новые чистые поверхности. Все это соответствует условиям сухого трения.

Непрерывное образование новых чистых поверхностей способствует тому, что при высокой температуре и большом давлении возникают молекулярное сцепление и частичное соединение трущихся поверхностей инструментального и обрабатываемого металлов. Эти непрерывно возникающие частичные соединения чередуются с такими же непрерывными разрушениями, которые могут происходить как по прежней поверхности раздела инструментального и обрабатываемого металлов, так и по новой поверхности. В свою очередь новая поверхность раздела может быть в пределах поверхности резания и гладкой поверхности стружки или в пределах задней и передней поверхностей металлорежущего инструмента. Таким образом, при резании металлов внешнее сухое трение чистых, свежеобразованных металлических поверхностей тесно связано с внутренним трением пластически деформированного металла срезаемого слоя и такого же металла под поверхностью резания. Если новая поверхность раздела проходит в обрабатываемом металле под поверхностью резания и в стружке, то на задних и передней поверхностях металлорежущего инструмента остаются приставшие частицы обрабатываемого металла в виде неровностей разных размеров, вытянутых в направлении относительного движения трущихся поверхностей, инструмента и металла.

Сила трения выражается как

где F — сила трения, кг;

u — коэффициент трения;

N — сила, нормальная к поверхностям трения, кг.

Коэффициент сухого трения зависит от состава и строения-трущихся металлов, скорости трения и температуры трущихся поверхностей. Меньшее влияние оказывают шероховатость трущихся поверхностей и имеющиеся на них окислы. Что касается скорости трения, то она на задней поверхности металлорежущего инструмента всегда больше, чем на его передней поверхности. Причиной этого является продольная усадка срезаемого слоя, вследствие чего путь трения стружки короче пути трения поверхности резания.



Трение рабочих поверхностей металлорежущих инструментов приводит их к износу и является основной причиной затупления лезвий, т. е. потери ими своей первоначальной формы. Износ, вследствие трения происходит только на задней поверхности инструмента, одновременно на задней и передней поверхностях и только на передней поверхности (рис. 268). Для каждого из этих случаев распределения износа имеются свои физические причины.

Износ только на задней поверхности инструмента (рис. 268, а) бывает при малой толщине срезаемого слоя. Это объясняется прежде всего тем, что тонкий срезаемый слой деформируется главным образом самим лезвием, которое имеет ту или другую степень округления, и только в некоторых случаях в этой деформации участвует узкая полоска передней поверхности инструмента, прилегающая к округленному лезвию. Сила трения на передней поверхности инструмента при малой толщине срезаемого слоя не велика. В то же время тонкий срезаемый слой имеет большую усадку, что увеличивает разность скоростей трения на передней и задней поверхностях инструмента. Малая скорость трения на передней поверхности не вызывает ее заметного износа, в то время как увеличенная скорость трения на задней поверхности повышает коэффициент трения и приводит к износу этой поверхности. Кроме того, износ задней поверхности инструмента производится упруго деформированным поверхностным слоем металла, а относительное значение упругой деформации металла под поверхностью резания при небольшой толщине срезаемого слоя возрастает. Все эти причины создают на задней поверхности инструмента более тяжелые условия трения и износа, чем на его передней поверхности.

Одновременный износ задней и передней поверхностей инструмента происходит при несколько увеличенной толщине срезаемого слоя и выполнении резания с малой и средней скоростями или хотя и с большой скоростью, но с хорошим охлаждением, а также при работе многолезвийными инструментами с относительно небольшой продолжительностью работы каждого режущего элемента, чередующейся с нерабочими периодами. Деформированный и превратившийся в стружку срезаемый слой увеличенной толщины соприкасается с передней поверхностью инструмента на площади, граница которой отстоит от лезвия на расстоянии, в несколько раз превышающем толщину срезаемого слоя. Меньшая часть этой площади приходится на поверхность соприкосновения стружки с мало изнашивающимся наростом, если по условиям резания он образуется, а на большей части этой же площади происходит износ. Он начинается с образования на передней поверхности инструмента выемки, которая постепенно увеличивается вглубь, незначительно в защищенную наростом сторону лезвия и главным образом в сторону, свободную от нароста. Радиус выемки при этом увеличивается. Одновременно с этим изнашивается и задняя поверхность инструмента, так как скорость трения здесь по-прежнему больше, чем на передней поверхности. Кроме того, хотя относительное значение упругой деформации при утолщении срезаемого слоя и падает, но ввиду этого же утолщения возрастает сила резания, действующая на заднюю поверхность инструмента. В результате приближения к лезвию образующейся на передней поверхности инструмента выемки обе изношенные поверхности инструмента соединяются и лезвие в своей первоначальной форме перестает существовать Ухудшение формы режущей части инструмента вызывает резкое увеличение силы резания и интенсивное теплообразование, что приводит к быстрому нарастанию дальнейшего износа инструментов из углеродистой, легированной и быстрорежущей стали. Если режущая часть инструмента изготовлена из твердого сплава, то резание производится с такой скоростью при которой нарост не образуется. Ввиду этого износ передней поверхности начинается от самого лезвия и оно все время возобновляется, как непрерывно образующееся пересечение изнашивающихся задней и передней поверхностей.

Возникновение более тяжелых силовых и тепловых условий не приводит благодаря хорошей теплостойкости твердых сплавов к повышению их износа и режущая способность инструмента сохраняется.

Износ только передней поверхности инструмента бывает при большой толщине срезаемого слоя и большой скорости резания без охлаждения. Деформация срезаемого слоя большой толщины и трение толстой стружки по передней поверхности инструмента вызывает интенсивное теплообразование, и передняя поверхность инструмента быстро изнашивается.

Нарастание износа задней и передней поверхностей инструмента за время T протекает различно, но с характерными для каждой из этих рабочих поверхностей закономерностями (рис. 269). Износ задней поверхности, измеренный по высоте истертой части h, происходит более интенсивно в начальный период работы и затем замедляется до наступления периода быстрого нарастания износа при полной потере лезвием своей первоначальной формы, делающей инструмент непригодным к работе и требующей его затачивания. Если преобладает износ передней поверхности инструмента при одновременном износе обеих рабочих поверхностей, нарастание износа задней поверхности происходит равномерно без заметного увеличения его в начале работы. Износ передней поверхности инструмента измеряют по ширине истертой на ней выемки b. Он развивается очень быстро с самого начала работы, а затем нарастает медленно и равномерно до наступления катастрофического износа при полной утрате лезвием своей первоначальной формы, вызывающей необходимость перетачивания инструмента.

Помимо износа, трением, который является преобладающим видом износа металлорежущих инструментов, потеря ими режущей способности может быть вызвана еще и другими причинами. Так, инструменты, режущая часть которых изготовлена из обладающих большой хрупкостью твердых сплавов и керамических сплавов, часто приходят в негодность из-за выкрошивания лезвия. Более редкой причиной нерабочего состояния металлорежущего инструмента является пластическая деформация его лезвия. Это бывает у инструментов, изготовленных из таких вязких и способных пластически деформироваться в закаленном состоянии сталей, как хромомарганцевая и хромовольфрамомарганцевая.