Рис. 7. Схема превращения срезаемого слоя в сливную стружку
Предположим, что режущий инструмент должен переместиться из положения I в положение II на расстояние Dl (рис. 7). При этом точка Q срезаемого слоя, имеющего вид параллелограмма MNPQ, лежащая на поверхности резания, окажется в точке Q1, лежащей на передней поверхности инструмента, а точка Р окажется в точке Р1 лежащей на свободной стороне стружки. Таким образом, параллелограмм MNPQ, сдвигаясь вдоль основания MN на Ds, превращается в параллелограмм MNP1Q1, который принадлежит не срезаемому слою толщиной а, а стружке. При дальнейшем перемещении инструмента на Dl указанный процесс повторяется в результате непрерывных сдвигов тонких слоев материала по условной плоскости сдвига без нарушения связей между сдвинутыми слоями, т.е. без нарушения сплошности материала стружки. Расстояние Ds есть не что иное, как абсолютный сдвиг.
Чтобы ответить на вопрос, что вызывает сдвиг срезаемого слоя вдоль условной плоскости сдвига и когда этот сдвиг начнется, рас смотрим силы, действующие на срезаемый слой со стороны перед ней поверхности инструмента.
На срезаемый слой инструмент действует с нормальной силой ш передней поверхности Nn, которая создает силу трения Fn = mNn, ( m - коэффициент трения между стружкой и инструментом) В сумме силы Nn и Fn дают силу стружкообразования R', наклонную к поверхности резания под углом действия w. Разложим R' на силу PN, перпендикулярную к условной плоскости сдвига MN, и силу Рt, действующую вдоль плоскости сдвига. Сдвигаемый слой толщиной Dх сжимается силой PN, а сдвигающая его сила Рt получила название силы сдвига. Сдвиговая деформация начнется в том случае, когда напряжение сдвига станет равным пределу текучести на сдвиг.
При прямоугольном резании сдвигающее напряжение на условной плоскости сдвига t = Pt / (MN × b), где b - ширина срезаемого слоя. Так как MN = a/sin Ф, то t = Ptsin Ф /(ab). В свою очередь, Рt = R'cos(w + Ф); тогда t = R'cos(w + Ф)sin Ф/(ab).
Процесс образования стружки начнется тогда, когда напряжение сдвига т будет больше или равно пределу текучести обрабатываемого материала на сдвиг tс. Установлено, что независимо от физико - механических свойств обрабатываемого материала, значений v, а и g касательные напряжения вдоль условной плоскости сдвига остаются постоянными, а нормальные напряжения могут иметь различные значения.
При больших значениях у и малых коэффициентах трения на передней поверхности инструмента нормальные напряжения уменьшаются вдоль условной плоскости сдвига по сечению стружки в сторону передней поверхности инструмента, и в некоторой точке их знак может измениться на противоположный (рис. 8). Если уменьшать g и увеличивать коэффициент трения, нормальные напряжения будут изменяться по сечению стружки в противоположном направлении. Хотя нормальные напряжения вдоль условной плоскости сдвига непостоянны, они не влияют на касательные напряжения.
Рис.8. Эпюры нормальных s и касательных t напряжений на плоскости сдвига при малых (а) и больших (б) передних углах
Условной плоскостью сдвига разделяются области недеформи-рованного материала, принадлежащего срезаемому слою, и уже полностью деформированного материала стружки. В результате пластической деформации в стружке образуется текстура в виде полос или строчек, расположенных под некоторым углом y к условной плоскости сдвига (рис. 9, а), называемым углом текстуры. Линии текстуры представляют собой цепочки деформированных зерен стружки, получивших после прохождения через условную плоскость сдвига определенную форму и ориентацию.
Рис. 9. Схемы превращения сфероидального зерна в эллипсоидальное (а) и формирования текстуры (б)
Образование текстуры можно представить следующим образом (рис. 9, а). Сфероидальное зерно материала впишем в куб со стороной, равной толщине сдвигаемого слоя. В сечении плоскостью, перпендикулярной к режущей кромке инструмента, будем иметь круг радиусом Dх/2. В результате деформации простого сдвига верхняя плоскость сдвигаемого слоя переместится относительно нижней на абсолютный сдвиг Ds. Квадрат MNPQ превратится в параллелограмм MNP1Q1, а круг - в эллипс, большая ось которого наклонена к условной плоскости сдвига под углом текстуры y. Значение y можно определить из выражения
ctgy = (e + Öe2 +4)/2
где e - относительный сдвиг при превращении срезаемого слоя в стружку.
Цепочки эллипсов в направлении их больших осей (рис. 9, б) представляют собой линии текстуры деформации стружки.
Угол текстуры зависит от степени деформации срезаемого слоя, определяемой относительным сдвигом. Чем больше е, тем меньше у, и наоборот. Превращение сфероидального зерна в эллипсоидальное является следствием первичной деформации срезаемого слоя при прохождении зерна через условную плоскость сдвига. Если бы отсутствовало трение стружки о переднюю поверхность, линии текстуры шли бы параллельно друг другу, сохраняя угол текстуры неизменным. Однако в слое стружки толщиной D1 ; прилегающем к ее контактной стороне, эллипсоидальные зерна, деформированные на первой стадии, теряют свою форму под действием силы трения Fn и линии текстуры искривляются вследствие вторичной деформации срезаемого слоя.
Схема образования элементной стружки. При исследовании зоны стружкообразования установлено, что прежде чем произойдет разрушение по плоскости скалывания, в объеме будущего элемента стружки возникают значительные деформации сжатия, вызывающие течение материала срезаемого слоя вдоль и перпендикулярно к передней поверхности инструмента. Превращение срезаемого слоя в элемент стружки происходит следующим образом (рис. 11).
Рис.11. Схема превращения срезаемого слоя в элемент стружки
При перемещении инструмента на расстояние Dl его передняя поверхность деформирует объем материала, ограниченный параллелограммом M0MNN0, Когда напряжения сжатия превзойдут предел текучести деформируемого материала, начнется его перемещение по передней поверхности лезвия инструмента и точка М0 совпадет не с точкой К, как это бывает при образовании сливной стружки, а с точкой Q. Одновременно сторона M0N0 параллелограмма укорачивается до QP. В результате элемент срезаемого слоя M0MNN0 превращается в элемент стружки MNPQ. Когда запас пластичности обрабатываемого материала будет исчерпан, начинается его разрушение по плоскости скалывания, и сколотый элемент перемещается вверх по передней поверхности лезвия инструмента. Чем больше степень деформации срезаемого слоя, тем больше форма элемента стружки в виде трапеции MNPQ приближается к треугольной. При этом сторона MN элемента стружки получает значительно большее уширение, чем при образовании сливной стружки.
Элементные стружки в общем случае различаются по форме образующихся элементов, степени деформации металла внутри элемента, повторяемости формы и размеров элементов, степени связанности элементов. Эти различия определяются свойствами обрабатываемого материала, передним углом инструмента и режимом резания. Как и при сливном стружкообразовании, существенное влияние на характеристики элементной стружки оказывает температурно-скоростной фактор, формирующий условия контактного взаимодействия образующегося элемента и передней поверхности инструмента. Свойства обрабатываемого материала можно оценить по произведению d ´ l, где d - относительное удлинение обрабатываемого материала при разрыве, l - коэффициент теплопроводности. Тогда влияние температурно-скоростного фактора легко спрогнозировать по схеме, приведенной на рис. 12. Стрелками на этой схеме обозначены направления изменения вида образующейся стружки: от сливной к суставчатой (скалывания) с дальнейшим ослаблением связей между элементами до полного их разделения.
Рис. 12. Влияние температурно-скоростного фактора и свойств обрабатываемого материала на характер стружкообразования
Для обрабатываемого материала, характеризуемого некоторым средним значением d ´ l (штриховая линия на рис. 12), повышение температуры Q (скорости резания) вызывает сначала переход от элементной стружки к сливной, а затем - вновь к элементой. У обрабатываемых материалов с низкими значениями d ´ l (серый чугун, ряд титановых сплавов) во всем диапазоне температур (скоростей) резания образуется только элементная стружка. И наоборот, у материалов с высоким уровнем d ´ l (свинец) элементная стружка не возникает ни при каких обстоятельствах.
Возможны два типа элементных стружек - низко- и высокотемпературные. Стружка первого типа (стружка скалывания) характеризуется полным деформированием всего объема элемента при нестабильности его формы и размеров. Высокотемпературная элементная стружка, наоборот, имеет стабильные форму и размеры элемента. Внутри этого элемента имеет место пластическая деформация, которая локализуется в контактном слое стружки и в местах сочленения элементов.
Отделение низкотемпературной элементной стружки начинается с возникновения трещины в окрестностях режущей кромки инструмента. Если рассматривать элемент стружки как консоль, на которую со стороны инструмента действуют распределенные нормальная и тангенциальная нагрузки (рис. 3.13), можно определить изгибающий момент:
М = MN -MF,
где МN - момент, создаваемый распределенной нормальной нагрузкой; МF - момент, создаваемый силой трения на плече ас/2.
Тогда
М = Nn[kgc – (ac/2)tg(F - g)] - Fn(ac/2),
где Nn - нормальная сила на передней поверхности; kg - относительная координата «центра давления» элемента на переднюю поверхность; с - длина контакта элемента стружки с передней поверхностью; Ф - угол скалывания (сдвига); g - передний угол; ас - толщина «заделки» элемента в сечении, перпендикулярном к передней поверхности.
Увеличение момента М способствует появлению в окрестностях режущей кромки положительных нормальных напряжений, тогда как сила трения Fn создает условия сжатия. Тогда вероятность возникновения трещины перед режущей кромкой можно качественно оценить выражением
Рs = (6Nn/bc)ac2[kgc – (ac/2)tg(F - g)] – 3Fn/acbc,
где bс - ширина контакта элемента стружки с инструментом.
Рис. 13. Схема контактного взаимодействия режущего лезвия и формируемого элемента стружки скалывания
При формировании высокотемпературной элементной стружки длина ее контакта с передней поверхностью значительно превышает длину отдельного формирующегося элемента, т.е. в контакте с передней поверхностью таких элементов может быть несколько (рис. 14). Данное обстоятельство слабо влияет на степень воздействия моментов, но значительно увеличивает силу трения. Это способствует более высокой степени связанности и стабильности элементов при высоких скоростях резания.
Рис. 14. Схема формирования суставчатой стружки
Существует мнение, что образование сливной стружки в зоне интенсивной адгезии и повышенного трения является частным случаем образования элементной стружки. На это, в частности, указывают «зубчики» на боковой поверхности сливной стружки, являющиеся результатом сращивания элементов.