ФІЗИЧНІ ОСНОВИ ПРОЦЕСУ РІЗАННЯ

Лекція 4 ФІЗИЧНІ ОСНОВИ ПРОЦЕСУ РІЗАННЯ. стружкоутворення

4.1 Загальні уявлення про пружно-пластичні деформації

та руйнування твердих тіл

4.1.1 Основні різновиди деформованого стану

Перетворення шару, що видаляється при різанні, в стружку є однім із різновидів процесу пластичної деформації металу. Основною ознакою пластичної деформації є безповоротна зміна форми тіла під дією зовнішніх сил без порушення суцільності тіла, що деформується. Розрізняють три основних види деформованого стану малого об’єму тіла (рис. 4.1):

• Розтягування, при якому в напрямку однієї із трьох головних осей деформації спостерігається подовження, а в напрямку двох осей, що залишились, укорочення. Якщо дві негативні деформації укорочення рівні проміж собою, то розтягування називається простим.
• Стиснення, при якому в напрямку однієї із трьох головних осей деформації спостерігається укорочення, а в напрямку двох осей, що залишились, подовження. Якщо дві позитивні деформації подовження рівні між собою, то стиснення називається простим.
• Зсув, при якому деформація в напрямку однієї із трьох головних осей деформації відсутня, в напрямку другої головної осі спостерігається укорочення, а в напрямку третьої головної осі рівне йому подовження.

Рисунок 4.1 – Основні види деформованого стану:

розтягування (а), стиснення (б), зсув (в)

Різновидностями зсуву є чистий зсув і простий зсув (рис. 4.2).

Рисунок 4.2 – Різновидності зсуву: чистий зсув (а), простий зсув (б)

При чистому зсуві виникає рівномірне укорочення в напрямку однієї осі і рівномірне подовження в напрямку другої осі, яка перпендикулярна до першої. Квадрат ABCD перетворюється в конгруентний ромб A1B1C1D1 при незмінному об’ємі тіла.

При простому зсуві деформація полягає в переміщенні всіх точок тіла в напрямку, що паралельний тільки одній осі, на відстань, яка пропорційна відстані точки тіла від цієї осі в напрямку другої осі. Як наслідок простого зсуву квадрат ABCD перетворюється в рівновеликий паралелограм A1B1C1D1 з тим же розміром основи і висоти, що і у початкового квадрата.

4.1.2 Дислокаційна теорія пластичної деформації

Відомо, що всі метали та їх сплави мають кристалічну структуру.

В металі, як і в усякому реальному кристалічному тілі, кристали орієнтовані різним чином, діляться на блоки розміром 10–3 – 10–5 мм, повернуті відносно один одного на невеликі кути. Крім того, в кристалах знайдені вільні вакансії (незаповнені атомами вузли просторової решітки), дірки, зміщення атомів. Ці недосконалості побудови кристалів називаються дислокаціями і є причиною того, що міцність реальних металів і сплавів значно менша теоретичної міцності, яка обумовлена взаємодією електронів з іонами в кристалічній решітці.

Дислокації поділяються на два типи: крайові та гвинтові.

Крайова дислокація являє собою лінійний дефект кристалічної структури, положення якого відмічається “зайвою” вертикальною атомною площиною в верхній половині кристалу (рис. 4.3).

Рисунок 4.3 – Структура крайової дислокації

Поблизу дислокації викривлення структури найбільше. Проста крайова дислокація необмежено продовжується в площині ковзання в напрямку нормальному до траєкторії ковзання.

Механізм переміщення дислокації і ковзання, яким воно супроводжується, проілюстрований на рис. 4.4. Коли атоми, які розташовані по одну сторону від площини ковзання, переміщуються відносно атомів на другій стороні, то частина атомів в площині ковзання буде відштовхуватись своїми сусідами по іншу сторону площини ковзання, а частина притягуватися. В першому приближенні ці сили взаємно компенсуються і тому зовнішня сила, яка потрібна для переміщення дислокації, буде надто малою. Таким чином, наявність дислокацій робить кристал дуже пластичним. Переміщення крайової дислокації можна сподобити переміщенню складки по килиму; складка переміщується легше, чим весь килим одночасно. Але при переміщенні складки має місце і деякий зсув килима в цілому.

Рисунок 4.4 – Переміщення дислокації під час зсуву;

верхня частина поверхні зразка зміщується вправо

Другий тип дислокації – гвинтова дислокація (рис.4.5). Межа між частиною кристалу, яка змістилися, та частиною, яка не зміщувалась, розташована паралельно напрямку ковзання, а не перпендикулярна йому, як при крайовій дислокації. Гвинтову дислокацію можна представити як зміщення частин кристалу по обидві сторони розрізу назустріч одне одному на одну міжатомну відстань паралельно краю розрізу.

Рисунок 4.5 – Схематичне зображення гвинтової дислокації

Довільну дислокацію можна вважати такою, що складається із відрізків, які мають крайову і гвинтову дислокації. Таким чином, ковзання дуже тонких шарів металу при пластичній деформації проходить не поздовж всієї кристалічної площини, а являє собою чергу послідовних зміщень окремих дільниць решітки, які полегшуються наявністю вад в її побудові.

Під час кожного зміщення (зсуву) викривлюються кристалографічні площини решітки та утворюється велика кількість уламків, які сприяють відновленню зчеплення і тим самим припиненню зсуву на відповідній дільниці. Подальше підвищення навантаження викликає зсув в наступній площині і, як наслідок, – таке ж зміцнення. В результаті підвищується опір деформуванню з боку металу, іншими словами зменшується здатність його до подальшого пластичного деформування. Це явище називається зміцненням або наклепом.

4.1.3 Експериментальні методи вивчення процесу утворення стружки

і зони деформування

Для вивчення процесу стружкоутворення, розмірів і форми зони деформування використовують різні експериментальні методи:

• візуальне спостерігання відполірованої бокової поверхні оброблюваного зразка;
• спостерігання сітки, що нанесена на бокову відполіровану поверхню і вимір її викривлення внаслідок пластичної деформації шару, що зрізується (метод координатної сітки);
• кінозйомка процесу різання і явищ, які його супроводжують;
• вивчення мікрошліфів зони різання;
• поляризаційно-оптичне вивчення напружень в зоні різання;
• вимірювання твердості і розрахунок напружень в зоні різання;
• мікроскопічне (електронно-мікроскопічне) дослідження стружки і зони різання;
• рентгеноструктурний аналіз.

4.1.4 Типи стружок, що утворюються при різанні пластичних

і крихких матеріалів

В 1870 р. І.А.Тіме вперше запропонував класифікацію типів стружок, які утворюються при різанні різноманітних матеріалів. Згідно з нею при обробленні пластичних матеріалів утворюються три типа стружок: елементна, східчаста, зливна, а при обробці крихких – елементна або стружка надлому (рис. 4.6, а, б, в, г).

Елементна стружка (див. рис. 4.6, а) складається з окремих пластично деформованих елементів, які не зв’язані між собою.

Східчаста стружка (див. рис. 4.6, б) складається із окремих слабо зв’язаних між собою елементів.

Зливна стружка (див. рис. 4.6, в) – це стружка, що сходить з різця у вигляді суцільної стрічки, яка звивається у спіраль.

Стружка надлому (див. рис. 4.6, г) складається із окремих дрібних шматочків неправильної форми, не зв’язаних або дуже слабо зв’язаних між собою.

Елементну, східчасту і зливну стружки називають стружками зсуву, тому що їх утворення пов’язане з напруженнями зсуву. Стружку надлому інколи називають стружкою відриву, тому що її утворення пов’язано з напруженнями розтягування.

Рисунок 4.6 – Типи стружок: елементна (а), східчаста (б),

зливна (в), стружка надлому (г)

Тип стружки багато в чому залежить від виду і механічних властивостей оброблюваного матеріалу. Як говорилось раніше, при різанні пластичних матеріалів можливе утворення елементної, східчастої і зливної стружок. По мірі збільшення твердості і міцності оброблюваного матеріалу зливна стружка перетворюється в східчасту, а потім в елементну. При обробленні крихких матеріалів утворюється або елементна стружка, або стружка надлому. З підвищенням твердості, наприклад, чавуна, елементна стружка переходить в стружку надлому.

З геометричних параметрів інструменту найбільш сильно на тип стружки впливає передній кут і кут нахилу головної різальної кромки. При обробленні пластичних матеріалів вплив кутів і однаковий: по мірі їх збільшення елементна стружка переходить в східчасту, потім в зливну. При різанні крихких матеріалів при великих значеннях утворюється стружка надлому, яка по мірі зменшення переднього кута перетворюється в елементну. При збільшенні стружка поступово перетворюється в елементну.

На тип стружки впливає також подача (товщина зрізу) і швидкість різання. Глибина різання на тип стружки практично не впливає. Збільшення подачі s (товщини a) призводить при різанні пластичних матеріалів до послідовного переходу від зливної стружки до східчастої і елементної. При різанні крихких матеріалів із збільшенням s елементна стружка переходить в стружку надлому.

Найбільш складно на тип стружки впливає швидкість різання. При різанні більшості вуглецевих і легованих конструкційних сталей (за межами утворення наросту), по мірі збільшення V стружка із елементної стає східчастою, а потім зливною. Але при обробці деяких жароміцних сталей і сплавів, титанових сплавів підвищення швидкості різання, навпаки, перетворює зливну стружку в елементну. Фізична причина цього явища до цього часу повністю не з’ясована.

Підвищення швидкості різання при обробці крихких матеріалів супроводжується переходом стружки надлому в елементну стружку із зменшенням розмірів окремих елементів та збільшенням міцності зв’язку між ними.

Тип стружки, яка утворюється, має важливе значення в умовах автоматизованого виробництва, що пов’язано з автоматичним видаленням стружки від верстата. Основним типом стружки в промислових умовах є зливна стружка (частіше) і східчаста (рідше) під час оброблення пластичних матеріалів, а також елементна стружка – під час оброблення крихких матеріалів. Для поліпшення видалення зливної стружки використовують різні прийоми і засоби її подрібнення.

В сучасній світовій практиці проблема подрібнення та відведення стружки при точінні вирішується шляхом утворення різноманітних складних форм передньої поверхні змінних пластин, оптимізації їх геометричних параметрів і конструкції різця. Найбільш широко такі змінні різальні пластини використовують з державками на верстатах з ЧПК і гнучких виробничих модулях.

4.1.5 Процес утворення зливної стружки в умовах

вільного прямокутного різання

Дослідження, що були проведені за допомогою ділильної сітки, а також вимірюванням мікротвердості коренів стружки, показали, що між шаром, який відокремлюється, і утворюваною стружкою існує більш або менш чітко виражена перехідна зона. Схема, яка пояснює процес утворення зливної стружки, має вигляд, показаний на рис. 4.7.

Рисунок 4.7 – Зони деформацій при перетворенні зрізуваного шару

в зливну стружку

Лезо інструменту через площадку C діє на зрізуваний шар, який має товщину a. Зосереджена сила R, з якою передня поверхня інструменту діє на зрізуваний шар, називається силою стружкоутворення. Лінія OK є нейтральною лінією, яка розмежовує області напружень стиску (зліва) і розтягу (справа) в оброблюваному матеріалі, що розташований нижче поверхні різання.

Перед передньою поверхнею розташована зона I первинної деформації. Зона первинної деформації OABCO має форму клина з вершиною на кромці інструмента. Її нижня межа OA вгнута і пересікає продовження поверхні різання. Верхня межа OB зони випукла і її довжина в 2-4 рази менше довжини лінії OA. Лінія AB плавно сполучає оброблювану поверхню з вільною стороною стружки. Лівіше лінії OA знаходяться ще не деформовані зерна матеріалу зрізуваного шару, а правіше – зерна матеріалу, які належать стружці. Зерно зрізуваного шару переміщується відносно інструменту з швидкістю різання V, починає деформуватися в точці F і, проходячи по траєкторії свого руху, здобуває ще більший ступінь деформації. Деформація зерна закінчується в точці Q, де зерно здобуває швидкість Vс, яка дорівнює швидкості стружки. В зв’язку з тим, що ширина стружки приблизно дорівнює ширині зрізу, то можна вважати, що деформований стан в зоні стружкоутворення є плоским і зрізуваний шар деформується зсувом. В зв’язку з цим, лінія OA фізично є поверхнею зсуву, на якій напруження зсуву дорівнюють границі текучості s матеріалу на зсув. Вся зона I складається із подібних віялоподібно розташованих поверхонь, в кожній з яких напруження зсуву дорівнюють межі текучості матеріалу, який уже здобув деяку ступінь зміцнення внаслідок попередньої деформації. Лінія є поверхнею, на якій проходять останні деформації зсуву; на ній напруження зсуву дорівнюють границі текучості s на зсув остаточно зміцненого внаслідок перетворення відокремлюваного шару матеріалу в стружку: = s.

Якби між передньою поверхнею леза і контактною поверхнею стружки було б відсутнє тертя, то на цьому деформування зерен зрізуваного шару закінчилось би. Але між указаними поверхнями завжди є тертя, тому зерна матеріалу, які знаходяться в безпосередній близькості від контактної поверхні стружки, продовжують деформуватись і після виходу їх із зони первинного деформування. Таким чином виникає зона II вторинної деформації, яка обмежена передньою поверхнею леза і лінією CD. Ширина OD зони повторної деформації приблизно дорівнює половині ширини зони контакту c/2, а максимальна товщина 1 в середньому складає 0,1 товщини стружки ас. Ступінь деформування в зоні II може в 20 і більше разів перевищувати середню деформацію стружки. Наявність зони вторинної деформації та ступінь деформації зерен в цій зоні визначаються інтенсивністю тертя на передній поверхні леза. Чим менша сила тертя на передній поверхні, тим менший розмір 1 і, відповідно, інтенсивність деформації.

При інженерних розрахунках реальний процес стружкоутворення замінюють його спрощеною моделлю. Правильність такого підходу підтверджується тим, що при передніх кутах інструменту, товщинах зрізуваного шару і швидкостях різання, які застосовуються в виробничих умовах, довжина зони FQ первинної деформації різко зменшується, її межі OA и OB зміщуються, наближаючись до деякої лінії OE, нахиленої до поверхні різання під кутом . Це дозволяє вважати, що зсувні деформації локалізуються в тонкому шарі , а сімейство поверхонь можна замінити однією площиною зсуву, яка називається умовною площиною зсуву. При такій ідеалізації процес перетворення зрізуваного шару в стружку можливо трактувати як процес пластичного стискування і зсуву тонких шарів оброблюваного матеріалу вздовж умовної площини зрізу, який циклічно повторюється.

ФІЗИЧНІ ОСНОВИ ПРОЦЕСУ РІЗАННЯ