3. Основи фізики процесу різання

3.1. Пластична деформація металів

Деформацією називається процес зміни форми тіла під дією сил або будь-яких фізико-хімічних явищ (теплоти, електромагнітного поля, дифузії). Деформація може бути пружною, що зникає після припинення дії сили, та пластичної залишкової, що зберігається і після зняття навантаження. Зовнішньою появою пластичної деформації є незворотна зміна форми тіла. Всі метали і сплави складаються з безлічі окремих зерен кристалів (кристалітів), міцно з'єднаних між собою (рис. 3.1).

Рисунок 3.1. – Мікрофотографія зернистої будови металу

При механічній дії на метал у його зернах виникають напруження, під впливом яких зерна деформуються, тобто витягуються в одному напрямку і звужуються в іншому. Деформація металевих зерен протікає шляхом зсувів, що відбуваються по площинах ковзання, розташованих паралельно визначеній кристалографічній площині. Кожна смуга ковзання – це локальна область матеріалу із підвищеною щільністю визначеним чином орієнтованих і взаємопов’язаних дислокацій.

Рисунок 3.2 – Дислокаційні смуги ковзання

При більших ступенях деформації структура металу у вигляді системи смуг ковзання трансформується у характерну орієнтовану структуру, що називається текстурою (рис.3.2).

Рух смуги ковзання забезпечує пластичну деформацію, інтенсивність якої в об'ємі матеріалу зростає зі збільшенням кількості таких смуг. У смугах ковзання у процесі свого руху дислокації зустрічають перешкоди (наприклад, частки виділення, границі зерен та ін.). Зупинка дислокації біля перешкоди є причиною зміцнення матеріалу. Тому для подальшого просування дислокації необхідне збільшення прикладеного навантаження.

3.2. Утворення стружки

Процес утворення стружки (зрізаного шару) є основним процесом під час обробки різанням. Значну роль у вивченні цього процесу відіграє стружка – деформований i відокремлений в результаті обробки поверхневий шар матеріалу заготовки.

Розділ теорії різання, що вивчає закономірності перетворення шару видаленого матеріалу в стружку називається механіка утворення стружки (стружкоутворення). При вивченні процесів утворення стружки використовують наступні методи:

Візуальний метод полягає в зовнішньому огляді стружки з визначенням зовнішніх показників процесу деформування i стружкоутворення. Наприклад, за виглядом та формою стружки, її кольором, наявністю або відсутністю наросту i слідів зношування i т.д.

Швидкісна кіно- i відеозйомка передбачає фотографування зрізаного шару стружки швидкісною кіно- або відеокамерою з частотою до 10000 кадрiв в секунду. Це дозволяє спостерігати процес утворення стружки в уповільненому темпі.

Метод сітки полягає в нанесенні на бічну поверхню зразка фарбою, травленням, дряпанням i т.д. прямокутників, квадратів або кіл, які при різанні втрачають правильну форму, i за їх спотворенням на стружці судять про пластичну деформацію.

Метод вивчення мікротвердості полягає у вимірюванні твердості в різних точках кореня стружки з наступною побудовою ліній постійної твердості (iзоклер), за якими судять про пластичну деформацію i напруження.

Металографічний метод полягає у виготовленні шліфів бічної поверхні кореня стружки з подальшим вивченням його структури під мікроскопом.

Механічний метод полягає в послідовному видаленні з поверхонь зразка деталі тонких шарів матеріалу i вимірюванні за допомогою тензометричних датчиків величин деформації, за якими судять про величину i знак напружень першого роду.

Рентгенографічний метод оснований на стравлюваннi поверхневого шару зразка деталі i зніманні рентгенограм, за якими вивчають напруження другого роду, що діють всередині кристалічного зерна.

Поляризаційно-оптичний метод заснований на тому, що прозорi ізотропні тіла при дії на них сил стають анізотропними, i якщо їх розглядати в поляризованому світлі, то інтерференційна картина дозволяє визначити величину i знак напружень. Метод дає точні величини напружень тільки в пружній області при різанні зразків, виготовлених з оптично активних матеріалів, наприклад, органічного скла.

Процес утворення стружки при вільному прямокутному різанні можна поділити на три етапи, де один етап послідовно переходить в інший (рис. 3.3).

Рисунок 3.3 – Відео стружкоутворення

На першому етапі при проникненні леза в шар, який зрізується, попереду нього утворюється пружно-пластична зона, сконцентрована в обмеженій області оброблюваного матеріалу i яка примикає до передньої поверхні леза інструмента. Об’єм матеріалу у цій зоні поступово збільшується. У ньому зростають пластичні напруження зминання аж до величини границі міцності матеріалу.

На другому етапі в деякій області деформованого елемента напруження зминання перевищують границю міцності оброблюваного матеріалу i цей елемент руйнується шляхом пластичного зсуву по деякій поверхні або площині зсуву. В момент руйнування опір елемента зсуву знижується, а подальший рух інструмента призводить до формування нового елемента та повторення першого етапу. Зрушений елемент має тенденцію переміщатися у напрямку перпендикулярному площині зсуву. Однак, зустрічаючі опір з боку передньої поверхні інструмента, елемент стружки змінює свій напрямок за вектором швидкості руху стружки.

На третьому етапі елемент стружки, переміщуючись уздовж передньої поверхні інструмента, має в приконтактних шарах великий тиск, який призводить до додаткової пластичної деформації приконтактних шарів стружки. З цієї причини стружка відривається від передньої поверхні інструмента.

Повторення процесу призводить до утворення другого, третього і т.д. елементів стружки.

Система різання являє собою дуже складну саморегулюючу систему, що миттєво реагує на зміну будь-якого параметра зміною всієї картини процесу. Першим проявом такої реакції – є різні типи стружок, що утворюються у результаті різання. Цей факт був установлений ще у ході перших дослідів І.А.Тімме у 1870 р. і тоді ж була дана класифікація типів стружок, що виявилася настільки вдалою, що нею користуються і понині. Відповідно до досліджень І.А.Тімме, при різанні конструкційних матеріалів у будь-яких умовах існують два способи перетворення зрізуваного шару в стружку: за рахунок зсувних деформацій, що відбуваються при дії передньої поверхні інструмента на зрізуваний шар (стружки зсуву); у результаті відриву елемента зрізуваного шару ріжучим лезом інструмента (стружки відриву). Виходячи із цього, були виділені три види стружок зсуву: елементна, суглобиста, зливна та одна – стружка відриву, названа стружкою надлому (рис. 3.4).

Рисунок 3.4 – Типи стружок при різанні: а – елементна, б – суглобиста,
в – зливна, г – надлому

Елементна стружка (рис. 3.4, а) складається з окремих «елементів», приблизно однакової форми, не зв'язаних або слабо зв'язаних один з одним. Границю nm, що відокремлює утворений елемент стружки від зрізуваного шару, називають поверхнею зсуву (сколювання). Фізично вона являє собою поверхню, по якій у процесі різання періодично відбувається руйнування зрізуваного шару.

У суглобистої (східчастої) стружки (рис. 3.4, б) поділ її на окремі частини не відбувається. Поверхня зсуву (сколювання) тільки намітилася, але вона не пронизує стружку по всій товщині. Тому стружка складається як би з окремих суглобів без порушення зв'язку між ними.

Основною ознакою зливної стружки (рис. 3.4, в) є її суцільність (безперервність). Якщо на шляху руху зливної стружки немає ніяких перешкод, то вона сходить безперервною стрічкою, завиваючись у плоску або гвинтову спіраль, поки частина стружки не відламується під дією власної ваги. Така стружка найбільше складно видаляється із зони оброблення і є небажаною, на відмінну від елементної та суглобистої, особливо при обробленні на верстатах-автоматах і на верстатах з ЧПК. Поверхню стружки 1 (див.рис. 3.4, в), що прилягає до передньої поверхні інструмента, називають контактною. Вона порівняно гладенька, а при високих швидкостях різання відполірована у результаті тертя по передній поверхні інструмента. Її протилежну поверхню 2 називають вільною стороною (поверхнею) стружки. Вона покрита дрібними зазублинами і при високих швидкостях різання має бархатистий вигляд. Стружка стикається з передньою поверхнею інструмента у межах площадки контакту довжиною l₁, а ширина її приблизно дорівнює робочій довжині головної ріжучої кромки.

Стружка надлому (рис. 3.4, г) складається з окремих, не зв'язаних один з одним шматочків різної форми і розмірів. Утворення стружки надлому супроводжує дрібний металевий пил. Поверхня руйнування nm може розташовуватися нижче поверхні різання, у результаті чого остання покрита слідами від виламаних з неї шматочків стружки.

3.3. Усадка стружки

Пластична деформація при різанні металів зовні проявляється у тім, що товщина стружки а_с, стає більшою товщини зрізуваного шару а (рис. 3.5), а її ширина більшою ширини зрізуваного шару, тобто b_с > b. Але так як об'єм стружки залишається незміним, очевидно, що довжина стружки L_с стає коротшою шляху L, пройденого інструментом. Указана зміна розмірів зрізуваного шару називається усадкою стружки і характеризується коефіцієнтами:

де K_L, K_а, K_b – коефіцієнти відповідно вкорочення, потовщення і розширення стружки.

Ці коефіцієнти, як правило, більше одиниці і є непрямими показниками інтенсивності пластичної деформації при різанні металів. Вони показують, у скільки разів розміри стружки по довжині, товщині і ширині менше або більше відповідних розмірів зрізуваного шару. Через те що об'єм стружки дорівнює об'єму зрізуваного шару (L∙a∙b =L_c∙a_c∙b_c), то K_L = K_а∙K_b.

Рисунок 3.5 – Розміри зрізуваного шару і стружки

Зазвичай розширення стружки навiть при вiльному рiзаннi невелике i складає 5...15% вiд ширини зрiзаного шару, в той час як скорочення i потовщення стружки оцінюється в 250...600% i більше. Тому при чорновій обробці розширенням стружки можна знехтувати i вважати, що K_L = K_a.

Рисунок 3.6 – Форма заготовки для визначення коефіцієнта усадки

Коефіцієнт усадки визначається експериментально двома способами: виміром довжини стружки, знятої з ділянки заготовки заданої довжини; ваговим способом. Для реалізації першого способу при точінні довжина зрізаного шару L на циліндричній заготовці штучно обмежується за допомогою поздовжніх пазів з фіксованими відстанями між ними (рис. 3.6) для заготовки діаметром d i з пазом шириною b_пдовжина шляху різання складає:

Вимірявши довжину декількох стружок (по прирізцевій стороні) і визначивши середнє значення L_c , можна одержати вираз для розрахунку коефіцієнта усадки стружки по довжині:

K_L = (0,5∙π∙d – b_п)/L_c.

Ваговий спосіб використовується тоді, коли важко одержати суцільну стружку значної довжини, знятої із усього шляху L. Із співвідношення між коефіцієнтами усадки випливає, що

де f_с і f = a×b = S×t – відповідно, площі перерізу стружки і зрізуваного шару.

Площа поперечного перерізу стружки для шматочків довжиною 10...30 мм визначається за її вагою та об'ємом. Вага стружки розраховується за формулою:

звідси маємо: площа поперечного перерізу стружки f_c = 1000×G/L_c×ρ, а залежність для коефіцієнта усадки K_L = 1000×G/(ρ×L_с×S×t).

3.4. Нарост

При високих температурах і тисках у зоні різання хімічно чисті (ювенільні) поверхні стружки та інструмента піддаються адгезійному схопленню – відбувається міцне приєднання частини контактного шару стружки до передньої поверхні інструмента і утворення загальмованого шару. У деяких випадках обтікання цього шару стружкою сприяє виникненню нових загальмованих шарів металу, які нарощуються один на одного, поки цей загальмований шар, названий наростом, не досягне максимально можливих за даних умов розмірів.

За будовою та формою слід розрізняти два види наросту.

Перший вигляд. Нарост має значну протяжність уздовж передньої поверхні різця, але слабо виступає попереду неї; такий нарост складається з низки шарів, що йдуть майже паралельно передній поверхні, за винятком нижньої частини наросту, де шари металу круто загортають до ріжучих кромок (рис. 3.7).

Другий вигляд. Нарост, сильно виступаючи попереду ріжучої кромки інструмента (рис. 3.8), має незначну довжину його передньої поверхні. Такий нарост складається зазвичай з основи, що примикає до передньої поверхні (основа схожа на нарост першого виду), на якій нарощується друга частина, що представляє собою ряд шарів, що деформуються по кривих, подібним межі першої частини наросту.

Рисунок 3.7 – Нарост першого вигляду

Рисунок 3.8 – Відео наросту другого вигляду

Нарост – складний за хімічним складом агрегатний стан металу із продуктів взаємодії оброблюваного та інструментального матеріалів і навколишнього середовища. Він складається із шарів сильно деформованого оброблюваного матеріалу із включеннями оксидів і карбідів оброблюваного та інструментального матеріалів, а також кобальту, що входить до складу твердого сплаву.

Будова наросту досить складна (див. рис. 3.7): основна його частина 1 – це частинки, що утворюються в зоні контакту двох тіл тертя, що відрізняються від них складом і властивостями, міцно з'єднані з поверхнею інструмента, на які нарощуються наступні шари стружки; інші частини наросту – 2, розташовані на основній, мають інше походження і є частиною застійної зони. Вивчення впливу наросту і застійної зони на процес різання має велике практичне значення, тому що багато специфічних явищ, спостережувані при роботі складного багатолезового інструмента (протяжок, розверток, мітчиків і т.д.), неможливо зрозуміти без урахування впливу наросту і застійної зони.

За допомогою швидкісної кінозйомки встановлено, що у більшості випадків нарост – утворення нестабільне. При досягненні певної висоти його міцність виявляється недостатньою і він руйнується, причому частота зривів може досягати 3000…4000 разів за хвилину. Зруйнований нарост частково виноситься стружкою, частково поверхнею різання, що призводить до погіршення шорсткості обробленої поверхні деталі.

Внаслідок високої твердості наросту, він, виконуючи функції ріжучого леза, деякою мірою захищає передню і задню поверхні інструмента від їх стирання стружкою і обробленою поверхнею. Це зменшує нагрівання леза і приводить до зменшення зношування інструмента, тобто до підвищення періоду його стійкості.

На розміри наросту основний вплив надають рід і механічні властивості оброблюваного матеріалу, швидкість різання, товщина зрізуваного шару (подача), передній кут інструменту і склад застосовуваної мастильно-охолоджувальної рідини. Усі конструкційні матеріали можна розділити на матеріали, не схильні до наростоутворення та схильні до наростоутворення. До перших можна віднести мідь, латунь, бронзу, олово, свинець, більшість титанових сплавів, білий чавун, загартовані сталі, леговані сталі з великим вмістом хрому та нікелю; до других – конструкційні, вуглецеві та більшість легованих сталей, сірий чавун, алюміній, силумін.

Рисунок 3.9 – Схема впливу швидкості різання на температуру різання, і висоту наросту

Найбільш складно на розміри наросту впливає швидкість різання (рис. 3.9). За дуже малих і великих швидкостях різання (зона 0) наросту немає. При підвищенні температури у зоні різання від приблизно 200 до 300ºС висота наросту збільшується (зона І), з подальшим зростанням температури різання до приблизно 600ºС (зона ІІ) висота наросту зменшується. Зменшення розмірів наросту при температурах більше 300°С пояснюється значним зниженням опору матеріалу наросту пластичному зсуву внаслідок його розм'якшення.

На висоту наросту впливають також фізико-механічні властивості оброблюваного металу (пластичність і міцність), товщина зрізуваного шару, передній кут інструмента, умови охолодження і змащування у зоні різання і т.п.

Питання для самоперевірки

1. Поясніть суть процесу пластичної деформації металів.

2. Які фізичні процеси відбуваються у зоні стружкоутворення?

3. Назвіть методи вивчення процесів стружкоутворення.

4. Опишіть візуальний метод вивчення процесу стружкоутворення.

5. Опишіть метод швидкісної кіно- і відеозйомки вивчення процесу стружкоутворення.

6. Опишіть метод сітки вивчення процесу стружкоутворення.

7. Опишіть метод вимірювання мікротвердості при вивченні процесу стружкоутворення.

8. Опишіть металографічний метод вивчення процесу стружкоутворення.

9. Опишіть механічний метод вивчення процесу стружкоутворення.

10. Опишіть рентгенографічний метод вивчення процесу стружкоутворення.

11. Опишіть поляризацiйно-оптичний метод вивчення процесу стружкоутворення.