Результаты теоретических исследований напряженно-деформированного состояния материала в зоне стружкообразования являются предметом постоянных дискуссий ученых. Подавляющее большинство исследователей считают правомерным отождествеление процесса деформации при резании с простым сдвигом ссылаясь на то, что деформированное состояние материала стружки соответствует простому сдвигу. Однако такому отождествлению возражает В.С. Кушнер [91], отмечал, что простой сдвиг описывает только механизм образования текстуры стружки, а не весь процесс деформации в зоне конечной ширины.
Имеются также работы [84, 99], в которых полагается, что процесс резания можно рассматривать как процесс последовательного пластического сжатия элементов стружки.
Исследования приведенные А.А. Бриксом [15], Н.Н. Зоревым [58], Г.Л. Куфаревым, К.Б. Океновым, В.А. Говорухиным [89], Р.Б. Мартиросяном [100], В.Ф. Бобровым [20], М.И. Клушиным [70], Н.В. Талантовым [180-185], Ю.В. Федоровым [198] показывают, что в общем случае процесс стружкообразования является результатом совместного действия сдвига и сжатия срезаемого слоя.
По данным Н.В. Талантова [93, 185] доля деформации сжатия на начальной границе стружкообразования может достигать 100% от общей деформации уменьшаясь затем по мере приближения к конечной границе. Причем, чем больше участок упрочнения, тем большая доля принадлежит деформации сжатия.
Н.Н. Зоревым [58] высказано предположение, что с увеличением сопротивления сдвигу роль деформаций сжатия в зоне стружкообразования возрастает.
Естественно, что учет только сдвиговых деформаций при моделировании процесса резания не отражает реальных процессов протекающих при стружкообразовании и не позволяет получить качественного и количественного описания действительного напряженного состояния материала при обработке резанием.
Следует согласиться с мнением Т.Н. Лоладзе, отметившим, что теоретическое определение напряжений, действующих в зоне резания, представляет собой сложную задачу [93]. В общем случае требуется удовлетворение уравнениям равновесия во всех точках деформируемой зоны, соблюдение граничных условий и выполнение условия пластичности.
В ряде случаев упрощения решения достигают путем допущения относительного характера распределения напряжений, либо на контактной поверхности, либо в направлении сдвига [10, 45, 93].
Наиболее распространенным допущением является постоянство касательный напряжений по плоскости сдвига [10, 20, 45, 58, 93, 169, 189, 223]. Например, В.Ф. Бобров [20] считает, что касательные напряжения вдоль плоскости сдвига имеют постоянную величину, а нормальные напряжения являются переменными и могут даже менять знак у режущей кромки при больших значениях переднего угла и применении смазочно-охлаждающих жидкостей (рис. 1.31). Аналогичные данные приведены в работе /89/. Незначительное изменение касательный напряжений и уменьшение нормального к плоскости сдвига напряжения у режущей кромки получил Г.Д. Дель /31/ при точении закаленной стали со скоростью 40-120 м/мин (рис. 1.32). Обращает внимание тот факт, что нормальные напряжения соизмеримы с касательными.
Рис. 1.31 Эпюры напряжений на плоскости сдвига
по /20/ и /89/
Л.М. Седоков [169] отмечает, что несмотря на неоднородность напряженно-деформированного состояния в зоне стружкообразования величина максимальных касательных напряжений вблизи условной плоскости сдвигов является практически постоянной.
Рис. 1.32 Эпюры напряжений на условной плоскости сдвига при обработке закаленных сталей по [48]: а) g = 6°; б) g = -31°
Б.Ф. Туркович [249], используя модель стружкообразования в виде одной плоскости сдвига, предположил, что плотность дислокаций в этой плоскости постоянна и равна 1012 см-2 независимо от материала. Соответственно следует вывод, что действующие в этой плоскости напряжения постоянны по всей длине плоскости.
В действительности, отмечает В.К. Старков [176] количество подвижных дислокаций в пластически деформируемой зоне, а соответственно и напряжения изменяются по некоторому закону, зависящему от факторов процесса резания. Однако такая задача еще не решена.
Анализ проводимых в литературе закономерностей распределения напряжений в зоне контакта срезаемого слоя с режущим инструментом показывает, что они имеют существенные различия между собой.
Согласно данных работ [10, 156, 171, 190] нормальные напряжения экспоненциально уменьшаются от максимального значения на режущей кромке до нуля в точке выхода стружки из контакта с резцом (рис. 1.33, а). Касательные напряжения остаются постоянными на некотором участке у режущей кромки, а затем уменьшаются аналогично нормальным напряжениям.
В работе В.А. Остафьева [142] распределение напряжений на контактной поверхности режущего инструмента соответствует схеме, приведенной на рис.1.33, б. Эпюры напряжений отличаются от предыдущих, главным образом, отсутствием участка с постоянной величиной касательных напряжений.
В.Ф.Бобров [20] приводит эпюры контактных напряжений, полученные методом разрезного резца. Закономерность изменения нормальных напряжений аналогична предыдущим эпюрам с максимумом на режущей кромке (рис.1.33, в). Эпюра касательных контактных напряжений имеет экстремальный характер. По мере удаления от режущей кромки напряжения возрастают, достигают максимума, а затем уменьшаются до нуля в точке выхода стружки из контакта с резцом. Н.В. Талантов [185] считает, что максимум касательных напряжений соответствует концу участка упрочнения.
Рисунок 1.33, г иллюстрирует закономерности распределения контактных напряжений, полученную М.Б. Гордоном [35]. Эпюры нормальных и касательных напряжений имеют максимумы на некотором расстоянии от режущей кромки.
По мнению авторов [237] эпюры напряжений на передней поверхности инструмента соответствуют рис.1.33, д. Согласно этой схеме, на определенной длине контакта нормальные и касательные напряжения имеют постоянную величину, а затем экспоненциально уменьшаются по мере приближения к месту отделения стружки.
Ю.В. Федоров [198] исследуя скорости перемещения частиц срезаемого слоя в зоне стружкообразования, получил эпюры контактных нагрузок, приведенные на рис.1.33, е. Нормальные нагрузки от наибольшего своего значения на режущей кромке уменьшается до нуля к концу контакта стружки с резцом. Касательные нагрузки имеют максимум на некотором расстоянии от режущей кромки и уменьшаются, как в точке выхода стружки из контакта с резцом, так и в направлении режущей кромки. Непосредственно у режущей кромки касательные напряжения меняют знак. Аналогичные эпюры напряжений приведены в работе [159].
а б
д е
Рис. 1.33 Эпюры контактных напряжений: а) по Зореву;
б) по Остафьеву; в) по Боброву; г) по Гордону; д) по Раррову и др.; е) по Федорову; ж) по Матвееву; з) по Мелихову и Утешеву
Анализируя эпюры изображенные на рис. 1.33, е, С.Н. Матвеев [104] соглашается с законом распределения касательных напряжений и отвергает наличие максимума нормальных напряжений на режущей кромке как не отвечающему условию сплошности материала. По его мнению, эпюры касательных и нормальных напряжений должны иметь характер, приведенный на рис.1.33, ж. Касательные напряжения имеют максимум и меняют знак как в предыдущем случае. Нормальные напряжения имеют максимум на некотором удалении от режущей кромки и разрыв в точке изменения знака касательных напряжений.
На рис. 1.33, з приведены эпюры контактных напряжений при наличии скругления режущей кромки [106, 195]. В точке сопряжения передней поверхности с задней нормальные напряжения имеют максимум, а касательные меняют знак.
Из рассмотренных эпюр контактных напряжений следует, что они имеют наибольшее расхождение на участке, примыкающем к режущей кромке, так как трудности постановки эксперимента не позволяют определить характер их изменения в этой области. Закономерности распределения напряжений вблизи режущей кромки, как правило, устанавливались путем экстраполяции экспериментальных данных.
Существующие методы расчета контактных напряжений [21, 33, 92, 142] позволяют определить лишь их усредненные значения без учета закономерности распределения по передней поверхности. Разработка аналитических методов определения эпюры напряжений в зоне стружкообразования и на контактных поверхностях режущего инструмента, несомненно, будет способствовать более правильному пониманию закономерностей деформирования и контактному взаимодействию обрабатываемого материала в зоне резания.