К вопросу об определении типов стружек

К ВОПРОСУ ОБ ОПРЕДЕЛЕНИИ ТИПОВ СТРУЖЕК

Введение

В настоящее время различают три основных типа стружек. Первый тип - это стружка скалывания, она же сдвиговая или элементная. Второй тип - сливная стружка. И третий тип - это стружка надлома. Кроме неоднозначности в названии, существует и неопределенность в различии типов. Ю.А.Розенберг, пытаясь разграничить сливную и элементную стружки, отмечает, что «…при образовании так называемой сливной стружки сдвиговый процесс происходит неоднородно, вызывая появление четко очерченных пластин, разделенных очень узкими пачками плоскостей, названных фронтами сдвига. Толщина таких пластин (в случае образования так называемой сливной стружки) изменяется микрометрами…» [1]. В данном высказывании усматривается явное сомнение в точности определения сливной стружки. Речь идет о сливной стружке, но вместе с тем «так называемой». Если «процесс стружкообразования во всем диапазоне изменения условий резания носит циклический характер», то «при малых амплитудах изменений процесса пластической деформации получаем сливную стружку (правильнее называть ее псевдосливной стружкой)» [1]. Получается, что все различие между двумя типами (элементная и сливная) заключается в расстояниях между плоскостями сдвига.

Вопрос о типах стружек не является отвлеченной теорией. Он связан с созданием физической модели стружкообразования и, поэтому, имеет важное научно-практическое значение. Наличие физического представления о процессе позволяет перейти к математическому моделированию, а значит и к созданию эффективных методик проектирования инструмента и технологических процессов на базе обработки резанием. Конкретизация типов стружек - это очередной шаг к пониманию механизма стружкообразования.

1 Механизм стружкообразования

Установленные ранее факты, такие, как:

· вогнутая форма границы между упругим и пластическим состоянием на микрошлифах корней стружек [2,3,4];

· вогнутая линия скольжения, разграничивающая упругое и пластическое состояние в зоне резания при графическом совмещении полей линий скольжения при сжатии и изгибе [5];

· изменение расчетного распределения касательных напряжений в условной плоскости скалывания при пошаговом увеличении нагрузки до образования пластического «шарнира» [6];

· расчет вида напряженного состояния и критериев разрушения согласно феноменологической теории [7],

дают основание считать полностью доказанным равноправное участие в процессе стружкообразования (наряду с работой сжатия) работы изгиба.

Это позволяет описать последовательности событий при стружкообразовании. Очевидно, что при соприкосновении лезвия с металлом, независимо от свойств обрабатываемых материалов, у вершины лезвия создается концентрация напряжений. Процесс врезания (первоначальная стадия резания) соответствует деформации сжатия. Расчетное моделирование такой схемы деформирования с помощью МКЭ показывает [2], что при дальнейшем развитии сжимающих усилий качественных изменений в деформационном поле не происходит. Увеличивается только зона и степень пластических деформаций. Но процесс сжатия к стружкообразованию не приводит.

Концентрация напряжений возле режущей кромки в зависимости от механических свойств материала приводит к следующему. Если материал обладает пластическими свойствами, то у вершины лезвия образуется пластическая зона. Если же преобладают упругие свойства, то материал разрушается, образуется трещина.

Образование при сжатии пластической области у вершины лезвия преобразует остальной, прилегающий к передней поверхности объем металла в упругопластическую консоль. Трещина в хрупком металле также образует взаимодействующую с передней поверхностью лезвия консоль. В любом из этих случаев, если силы, возникающие в зоне контакта металла с передней поверхностью, допускают их относительное смещение, то возникают изгибные напряжения.

Далее при обработке упруго-пластичных материалов совместное действие деформаций сжатия и изгиба может вызвать (в зависимости от прочностных и упругих свойств стружки) разрушение по одному из 2 направлений. Возможно по поверхности раздела - преобладает деформация изгиба (зона 1, рис.1). Стружка упругая и прочная, позволяет оторвать металл припуска в месте ослабления концентрацией напряжений.

В другом случае стружка при изгибе разрушается у основания "консоли". Тогда происходит ее сдвиг по этой поверхности (зона 2, рис.1).

При других равных условиях чем больше размер пластической зоны, тем больше изгибающий момент стружки. Следовательно, при этом образуется один из простейших механизмов-усилителей - рычаг, который и снижает силы, необходимые для разрушения обрабатываемого материала (т.е. для стружкообразования). Поэтому пластическая область влияет на силы резания путем изменения эффективности образующихся в зоне резания простых механизмов (рычага и наклонной плоскости).

При обработке хрупких материалов после образования трещины у вершины лезвия незначительный изгиб возникшей консоли завершается изломом. Таким образом образуется стружка надлома.

Преобладание хрупкости в обрабатываемом материале (при наличии условий, запрещающих его перемещение вдоль передней поверхности) может привести к стружкообразованию и без работы изгиба. В этом случае после образования трещины у вершины лезвия, образовавшийся элемент способен разрушиться под воздействием сжимающих усилий (рис.2).

Описанные возможные стадии процесса стружкообразования (за исключением отрыва упруго-пластической стружки) свидетельствуют о его цикличности.

В зависимости от состояния свойств обрабатываемого материала реальный процесс стружкообразования может занимать промежуточные положения между рассмотренными тремя случаями, разграниченными свойствами обрабатываемого материала. Да и сами понятия "пластичный" и "хрупкий" имеют относительный характер. При хрупком разрушении наблюдаются пластические деформации [8] и при разрушении пластичных материалов проявляются механизмы, свойственные хрупким материалам [9]. Реальные, подвергающиеся обработке резанием материалы обладают (правда, в разной мере) и пластическими и упругими свойствами.

2 Элементная стружка

Таким образом, направленное разрушение при резании упруго-пластичных материалов возможно только при взаимодействии работ сжатия и изгиба. При этом в зависимости от механических свойств стружки и схемы приложения сил возможно изменение в преобладании того или иного вида работы. Если преобладает работа изгиба, то стружкообразование происходит при разрушении (отрыве) припуска вдоль поверхности резания. В случае недостаточной прочности этой консоли вместо отрыва металла припуска происходит ее разрушение у основания. Область этого разрушения известна как условная плоскость скалывания. Последующий сдвиг металла вдоль области разрушения и циклическое повторение этих элементарных актов приводит к образованию элементной стружки.

Наиболее полно взаимодействие деформаций сжатия и изгиба проявляется при образовании элементной стружки. В этом случае, благодаря образованию пластической области у вершины резца, остальная часть прилегающего к передней поверхности лезвия металла подвергается упругопластическому изгибу.

По мере внедрения лезвия в металл (поз.1-4, рис.3) пластическая область у вершины лезвия увеличивается. Этот процесс способствует увеличению длины консоли и росту приложенных к ней нагрузок, что, в итоге, разрушает ее в месте «защемления» (поз.5, рис.3).

При развитии в опасной зоне консоли предельных для данного обрабатываемого материала напряжений, весь объем металла начинает скользить по плоскости, где была достигнута эта предельная величина касательных напряжений. От остальной массы металла этот объем все же не отделяется в связи с "залечиванием" микротрещин и "схватыванием" вновь образовавшихся поверхностей, что характерно для металлов с пластическими свойствами.

Во время движения стружки по условной плоскости скалывания снижается сопротивление металла внедрению в него лезвия, и поэтому падают напряжения в пластической области у вершины и уменьшаются ее размеры (поз.4, рис.3).

Часть пластической зоны при движении образовавшегося элемента вдоль передней поверхности увлекается за ним и сглаживает неровности на прирезцовой стороне стружки.

Затем начинается новый цикл стружкообразования (поз.6-8, рис.3). Возрастает усилие сопротивления движению лезвия со стороны цельного металла, расположенного ниже плоскости скалывания, и приварившейся к нему стружки. Увеличивается пластическая область у вершины лезвия, что приводит к образованию нового пластического шарнира, то есть образование следующей плоскости скалывания, и так далее.

На рисунке 4 последовательные положения 1,2,3 при движении лезвия соответствуют позициям 4,5,6 на рис.3. Совмещение этих позиций наглядно показывает, что координаты точек траектории движения стружки отклоняются от исходного положения тем больше, чем дальше точка располагается от вершины лезвия. Это связано с изменением размеров застойной зоны.

Отрезок dc (в пластической области dbc) (положение 1, см. рис.4) расположен горизонтально. При движении стружки он поворачивается, деформируется и превращается в кривую dc1, что приводит к заполнению впадины пилы стружки на прирезцовой стороне. Элемент приобретает трапециидальную форму и сглаженную поверхность.

Образованная стружка пилообразна (рис. 5). Неровности, которые могли бы появиться на стороне, прилегающей к поверхности лезвия, сглаживаются выдавленной за элементом частью пластической зоны от вершины лезвия и смятием металла в области вершины лезвия при образовании следующего элемента. Так образуется прирезцовый слой элементной стружки. Элементная стружка не равнопрочная по всей длине. Прочность ее в области сдвига намного меньше, чем по элементу. Видно, что процессы в пределах различных циклов при стружкообразовании отличатся друг от друга по причине неопределенного распределения физико-механических свойств обрабатываемого материала по всему объему. Наличие циклов проявляется в элементном строении стружки, а дефекты кристаллического строения металлов в различиях между этими элементами.

При равной прочности стали 45 и стали XI8H9T, очевидно, что, прежде чем будут достигнуты предельные напряжения по поверхности скалывания, инструмент пройдет значительно больший путь при обработке 2-го материала, чем 1-го (рис.6). Значит, размер х во втором случае будет больше, чем в первом. Из условия несжимаемости следует, что

_x + _y + _z = 0,(1)

где _x, _y, _z - логарифмические деформации в направлении соответствующих осей координат.

Рассмотрим объем металла, расположенный между двумя последовательными поверхностями скалывания

_x =ln x₁/x; _y =ln y₁/y; _z =ln z₁/z; (2)

где x, y, z - размеры деформируемого объема;

x₁, y₁, z₁ - размеры того же объема после деформации.

Экспериментально установлено, что при резании металлов параметры z и z₁ отличаются незначительно, т.е. можно принять z = z₁, поэтому _z = 0. Тогда

ln x₁/x + ln y₁/y =0 или x₁/x = y/y₁.

Значит, если при повышении пластичности обрабатываемого материала образуются более толстые стружки, то при этом уменьшается расстояние между последовательными поверхностями сдвига элементов. Следовательно, чем выше пластичность обрабатываемого материала, тем меньше длина образующегося элемента стружки. Иными словами, с увеличением пластичности материала длина элементов стружки уменьшается. Плоскости скалывания следуют друг за другом.

Такая стружка сильно пластически деформирована, по внешнему виду напоминает сливную (рис.7). Однако механизм ее образования указывает на то, что это элементная стружка с минимальной длиной элементов.

Поэтому стружка, в теле которой наблюдаются поверхности сдвига (условные плоскости скалывания), является элементной вне зависимости от расстояний между ними. Размеры и форма элементов стружки зависят также и от условий контакта на передней поверхности лезвия. При периодическом схватывании стружки с инструментальным материалом возможно изменение коэффициента усадки по длине в процессе резания [10]. Если при таком стружкообразовании затруднено перемещение стружки по передней поверхности лезвия (трение, схватывание, уступы, положение передней поверхности в пространстве), то возникает дестабилизация процесса резания не связанная с его цикличностью. Схватывание наблюдалось при точение стали Х18Н9Т резцом из ВК6 (V = 0,5 м/с; S = 0,07 мм/об; t = 0,1 мм). Заторможенный участок препятствует движению стружки по передней поверхности, увеличивается сила резания и зона пластической деформации перед инструментом. После преодоления сил трения по передней поверхности происходит образование плоскости скалывания и очередное торможение стружки на передней поверхности. В результате - повышенная степень деформации металла припуска. Образовавшаяся при этом стружка также является элементной (рис.8). Если силы, удерживающие стружку на передней поверхности, настолько велики, что перемещение ее невозможно, то невозможно и стружкообразование. Возникает аварийная ситуация.

В связи с этим следует отметить, что если на стружке наблюдаются плоскости скалывания (даже при минимальном расстоянии между ними), а они появляются при разрушении в зоне 2 (см. рис 1), то это элементная стружка.

Снижение упругости стружки уменьшает вклад изгибных напряжений в общую работу стружкообразования и при этом уменьшаются расстояния между соседними плоскостями скалывания.

3 Сливная стружка

То, что до настоящего времени не принимается во внимание роль работы изгиба при стружкообразовании, порождает сложности в определении видов стружек. В [11] рассмотрено взаимодействие лезвия с металлом, передняя поверхность которого отклонена на значительный угол, = 30o, от вертикального положения. Расчет напряжений в зоне резания проведен с помощью метода граничных элементов, основанного на суммировании простых возмущений, приложенных в точках граничного контура. Установлено, что плоскость действия максимальных касательных напряжений при сжатии располагается под углом, близким к 90o к направлению сжимающей силы. Это, в свою очередь, позволяет сравнить сжатие металла резцом с процессом осадки клиновидных заготовок под плоскими, шероховатыми плитами. При резании роль одной плиты выполняет резец. Второй - тот металл припуска, в котором не проявились еще пластические деформации.

При такой схеме деформации основная масса металла течет в сторону толстого клина; внутренние слои металла текут значительно интенсивнее, чем внешние; степень деформации тонкой части больше, чем толстой. А именно тонкая часть клина располагается у вершины лезвия. Здесь, во-первых, концентратор напряжений при сжатии. Во-вторых, стружка (рычаг) отрывает удаляемый слой от заготовки - растягивающее действие. В-третьих, создается интенсивное течения слоев металла. Поэтому напряжения в теле стружки ниже предельных и обрабатываемый материал разрушается только по линии раздела припуска и заготовки.

Образуется сплошная, равнопрочная стружка. На микрошлифе (рис. 9) отчетливо видна клиновидная форма зерен и наблюдается более высокая степень деформаций у тонкой части клиньев. Это сливная стружка. Таким образом, при создании критических напряжений в зоне 1 (см. рис.1) при обработке пластичных материалов образуется сливная стружка.

Если плоскостей скалывания нет, то стружка сливная. Такое отличие обусловлено характером разрушения.

Выводы

Типы стружек определяются механизмом стружкообразования и изменяются в зависимости от сочетания механических свойств материала, схемы приложения сил (геометрия лезвия, условия контакта на передней поверхности) и тепловых потоков в зоне резания. Все эти факторы формируют области критических напряжений, что сказывается на создании того или иного типа стружки. Различаются три принципиально разные схемы развития процесса стружкообразования. Стружку, полученную при осуществлении каждой из таких схем, можно назвать сливной, элементной и надлома.

Сливной стружкой следует считать стружку, образовавшуюся в результате отрыва металла по поверхности раздела. При ее образовании преобладает работа изгиба. Условная плоскость скалывания не формируется.

Элементная стружка - это такая стружка, при получении которой образовывалась условная плоскость скалывания как результат совместного действия работ сжатия и изгиба. Независимо от расстояния между очередными плоскостями скалывания и от сил сцепления между ними механизм образования такой стружки один и тот же.

Стружка надлома образуется при обработке хрупких материалов как результат хрупкого разрушения при сжатии и изгибе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Розенберг Ю.А. О процессе стружкообразования при резании металлов//Известия Томского политехнического университета. - 2002.- Т.3. - С.51-53.

2. Швец С.В. Наростообразование и процесс резания //Проблемы трибологии.-1998-№2.-С.17-20.

3. Розенберг А.М. Экспериментальное исследование процесса образования металлической стружки//Известия Сибирского технологического института. - Томск: Красное знамя, 1929. - Т.51. - Вып.4. - С. 1-75.

4. Армарего И.Дж., Браун Р.Х. Обработка металлов резанием. - М.: Машиностроение, 1977. - 325 с.

5. Швец Станислав. Системное изучение технологического процесса резания - основной резерв повышения его качества// Інформатизація та нові технології.-1996.- № 1.-С. 26-29.

6. Швец С.В. К вопросу о структуре зоны резания//Вісник Сумського державного університету.-1994.-№2.- С. 52-58.

7. Швец С.В. Применение феноменологической теории деформируемости металлов при исследовании процесса стружкообразования//Вісник Сумського державного університету.-2003.-№3.- С. 155-161.

8. Атомистика разрушения/Под ред. А.Ю.Ишлинского, Г.Г.Черного.- М.: Мир, 1987.- Вып.40.- 248 с.

9. Маклинток Ф. Пластические аспекты разрушения//Разрушение. - М.: Мир, 1976. - Т.3.- С. 67-262.

10. Швец С.В., Гончар Ю.Н. Особенности процесса резания нержавеющих сталей//Известия ВУЗов. Машиностроение.-1976.-№3.- С.144-146.

11. Швец С.В. Исследование процесса тонкого точения пластичных металлов резцами из композитов//Химическое машиностроение: расчет, конструирование, технология. - 1992.- С.172-178.