При резании различных материалов в разнообразных условиях резания мо­гут быть получены различные виды стружек: сливные, элементные, псевдо — сливные. Различать виды стружек можно по внешнему виду, но более точно — по анализу направлений деформированных частиц материала в стружке, т. е. по текстуре стружки. Сливные стружки иногда могут иметь текстуру, одинаковую по всему сечению стружки (однородную текстуру), являющуюся результатом де­формаций металла при переходе частиц из детали в стружку через зону струж­кообразования. Однако более характерно изменение направления линий тек­стуры в контактной области стружки вблизи передней поверхности инструмен­та. Последнее свидетельствует о наличии контактной застойной зоны пласти­ческих деформаций.

Образование элементных стружек (или стружек «скалывания») характерно для обработки относительно хрупких сплавов (например чугуна, некоторых марок бронз). При обработке сталей переход от сливных стружек к элементным осуществляется при определенных условиях резания (малые передние углы, малые скорости резания, большие толщины срезаемого слоя). В ряде случаев элементы остаются связанными между собой и образуют непрерывную по внешнему виду стружку. При этом тот факт, что стружка фактически состоит из отдельных элементов, может быть обнаружен с помощью металлографических исследований. Для этого изготавливают шлиф продольного сечения стружки, полируют и протравливают его кислотой, под микроскопом анализируют форму элементов стружки и направления деформированных зерен обрабатываемого материала внутри этих элементов — текстуру стружки. Если стружка по внеш­нему виду — непрерывная («сливная»), а фактически состоит из отдельных, связанных между собой элементов, то ее называют псевдосливной (рис. 1.18, б). Образование таких стружек характерно для обработки титановых сплавов, аустенитных сталей.

Одним из основных допущений, принимавшихся при схематизации процес­са деформации, является предположение о том, что существует такая плос­кость (плоскость стружкообразования), в которой осуществляется вся дефор­мация материала, образующего стружку, и по нормали к которой деформация отсутствует. В этом случае деформация при резании может рассматриваться как плоская. В действительности условия плоской деформации могут нару­шаться. Признаком этого является увеличение ширины стружки Ьі по сравне­нию с шириной срезаемого слоя Ь, т. е. «уширение».

Необходимо иметь В ВИДУ, ЧТО несовпадение ширины стружки &1 и ширины среза b может быть не только результатом деформаций, но и следствием не­корректных допущений, принятых относительно положения зоны стружкообра­зования. Так, если допустить, что плоскость стружкообразования перпендику­
лярна главной режущей кромке (а не диагонали сечения срезаемого слоя), то ширина срезаемого слоя определится формулой (1.19). При этих допущениях с увеличением отношения S/t отношение Ь^/Ьс будет существенно увеличивать­ся. В некоторых случаях это трактуется как «уширение» стружки. Однако ис­пользование в этом случае более точной формулы (1.16) доказывает, что «уширение» стружки практически отсутствует (рис. 1.19).

нии, перпендикулярном плоскости стружкообразования. Об этом свидетельст­вует образование дополнительной стружки («уса»), сходящей вдоль главной режущей кромки и имеющей в поперечном сечении форму застойной зоны. При необходимости явления, не укладывающиеся в схему плоской деформации, рассматриваются дополнительно.

Форму границ зоны деформации изучают, анализируя микрошлифы «кор­ней» стружек, полученных при весьма быстром («мгновенном») останове про­цесса резания.

В общем случае зона деформации в плоскости стружкообразования имеет сложную конфигурацию (рис. 1.20).

Наблюдения показывают [82], что конечную границу зоны деформации можно представить в виде ломаной линии. Один из ее отрезков наклонен под углом фу к скорости резания, а другой — под углом % к передней поверхности. Часть зоны деформации (А), прилегающую к первому отрезку, называют зоной стружкообразования, а ко второму — контактной пластической областью при- резцовых деформаций (Б и В). В переходную область Б пластических дефор­маций материал попадает из небольшой, но также весьма важной области Г пластических деформаций, прилегающей к линии среза. На участке фаски из­носа Л3 инструмента по задней поверхности, как правило, имеет место упругий контакт инструмента с обрабатываемой деталью. По данным многих исследо­вателей [82] конечная граница зоны стружкообразования прямолинейна, а тек­стура стружки на этом участке однородна.

Исторически первой схемой зоны деформации была схема в виде единст­венной плоскости сдвига, предложенная И. А. Тиме [82] (рис. 1.21, а).

Эта схема пренебрегает деформациями в контактных пластических облас­тях, не учитывает переходных процессов в зоне стружкообразования и вслед­
ствие этого не позволяет оценить скорости деформации в этих зонах. Тем не менее, она имеет большое практическое и теоретическое значение.

Схема с единственной плоскостью сдвига позволила установить два кине­матически допускаемых соотношения между скоростями стружки и детали. Эти соотношения справедливы и для более общих допущений о форме границ зо­ны стружкообразования, поскольку для их вывода используются условия, не требующие осуществления деформации обязательно в единственной плоско­сти сдвига.

Первое выражает условие непрерывности (сплошности) несжимаемой де­формируемой среды при образовании сливной стружки. При плоской деформа­ции это выражается в постоянстве скорости в направлении 1-1 (рис. 1.21, б), перпендикулярном условной плоскости сдвига.

Второе выражает условие контакта стружки с передней поверхностью ре­жущего лезвия и требует равенства скоростей в направлении 2-2, перпендику­лярном скорости схода стружки v,.

Для выполнения условий непрерывности несжимаемой среды при плоской деформации проекции скорости резания v (а при косоугольном резании — ее нормальной к режущей кромке составляющей в плоскости резания) и скорости стружки V! на нормаль к условной плоскости сдвига должны быть равны друг ДРУГУ:

(1.51)

Из (1.51) следует

(1.52)

Отношение скорости резания v к скорости стружки v, согласно терминоло­гии, введенной И. А. Тиме [82], называют усадкой стружки С, (а иногда — коэф­фициентом усадки стружки К).

Усадка стружки является вполне корректным параметром процесса струж­кообразования, характеризующим соотношение между скоростями детали и стружки в условиях непрерывности несжимаемой деформируемой среды при резании. Корректность использования этого параметра нарушается, если ус­ловия непрерывности не выполняются, например при образовании элементной или псевдосливной стружки.

Важным достоинством параметра «усадка стружки» является простота ее экспериментального определения. Наиболее распространен способ вычисле­ния усадки £ по результатам измерения веса G и длины Lc стружки при извест­ных подаче S, глубине резания t и удельном весе р обрабатываемого мате­риала:

< = ^ = ^ = (1 53)

S v-|Af Lc StpLc

Так как стружка и деталь движутся как твердые тела, отношение v/vi посто­янно вдоль оси Z (рис. 1.22) (т. е. вдоль ширины срезаемого слоя).

Таким образом, усадка стружки вполне обоснованно может применяться не только при прямоугольной форме сечения стружки, но и при трапецеидальной или треугольной. В этом случае усадка стружки играет роль коэффициента сжатия сечений срезаемого слоя и стружки.

Термин «коэффициент сжатия» в данном случае имеет формальный гео­метрический смысл и не имеет никакого отношения к схеме деформации сжатия.

При отсутствии уширения (равенстве ширины стружки b-i и ширины сре­заемого слоя Ь) из условия постоянства объема деформируемого материала

vfia(Z)dZ = V, fi’a,(Z)dZ

вытекает, что

Г = У_= $Q1a'(Z}dZ ж 0,5аіт61 + a1m62 + 0.5ДіщЬ3 =

V1 Jga(z)afz О. бЯ/тА +amb2 +0,5omb3 an

*m

Отсюда следует, что при отсутствии уширения (^ь=Ь,/Ь= 1) усадка по длине Сі равна усадке по толщине С, а, поэтому в дальнейшем будет использоваться просто единый термин «усадка». Кроме того, из (1.54) следует еще один спо­соб экспериментального определения усадки стружки — путем измерения мак­симальной толщины стружки и деления ее на максимальную толщину сре­заемого слоя, которая вычисляется по формулам (1.21) или (1.25):

^ = аш сов[ф — arcctg (ctgcp + S/t)]

S sin ф cos X

Через усадку стружки с помощью формулы (1.52) определяют угол фу на­клона условной плоскости сдвига

(1.56)

Соотношения (1.52) и (1.56) следует трактовать как различные формы представления условия непрерывности, содержащие один неизвестный или экспериментально определяемый параметр £ (или фу).

Теоретическое определение какого-либо из этих параметров (без измере­ния усадки стружки) не может быть осуществлено в рамках кинематики реза­ния. Эта задача является одной из центральных и наиболее сложных и будет рассмотрена в дальнейшем.

Второе из сформулированных выше условий — условие контакта инструмен­та со стружкой — определяет величину скорости v2, с которой стружка переме­щается вдоль условной плоскости сдвига. Для большей наглядности рассмот­рим соотношения между этими скоростями при неподвижной детали (напри­мер, при строгании) (рис. 1.23). Условие контакта стружки с инструментом требует, чтобы проекции скоростей стружки и резца на нормаль к передней поверхности режущего лезвия были равны друг другу, т. е. [50]

cosy = v2 cos(cpy — у),

Скорость v2 характеризует перемещение частиц стружки, находящихся на верхней границе зоны стружкообразования относительно нижней в направле­нии условной плоскости сдвига.

Отношение скорости v2, полученной из условия контакта стружки с резцом, к нормальной относительно условной плоскости сдвига составляющей скорости резания vn = v sin(py называют относительным сдвигом є [82]:

Выражение для относительного сдвига в виде (1.58) использовалось еще И. А. Тиме [82]. В литературе используются и другие выражения для относи­тельного сдвига є, тождественные (1.58):

е = ctg<p + tg(cp — у) = -■+1’/<^ 2smy.

cosy

Термин «относительный сдвиг» заимствован из линейного преобразова­ния, называемого простым сдвигом. Простой сдвиг является плоской одно­родной деформацией. Он может быть представлен в виде линейного преобра­зования вектора Х=(х, у) в вектор Х’-(х’,у’) (рис. 1.24):

где AUX — приращение перемещения вдоль оси х, Ду — высота деформируемого элемента в направлении оси у. При простом сдвиге относительный сдвиг є ис­пользуется в качестве характеристики деформации (см. рис. 1.24).

Для пояснения правомерности применения схемы простого сдвига к реза­нию рассмотрим преобразование квадрата 1-2-3-4 в параллелограмм 1"-2"~ 3-4′ при переходе его через зону стружкообразования в виде единственной плоскости сдвига (рис. 1.25). При этом вершину 1 поместим в точке пересече­ния свободных поверхностей детали и стружки, а сторону 1-2 совместим с плоскостью сдвига. Длина стороны квадрата I выбрана из тех соображений, чтобы вершина 3 находилась на линии среза [52]:

£ = — . (1.62)

Siri(py +COS<py

Рассматриваемое преобразование является результатом перемещения вершин 1 и 2 в направлении скорости vi, а вершин 3 и 4 — в направлении ско­рости V.

То же самое конечное положение параллелограмма 1 "-2 "-3 -4′ может быть достигнуто путем сложения двух более простых преобразований: перемеще­ния квадрата 1-2-3-4 в направлении скорости v в положение 1-2-3-4′ и последующего простого сдвига квадрата 1-2-3′-4′ в параллелограмм

1"-2"-3′-4′.

A Ux = v2A t, Ду= vn At, ^’* = —

АУ vn

Следовательно, смысл понятия «относительный сдвиг» при резании и при преобразовании простого сдвига один и тот же.

Тензор деформаций простого сдвига относительно системы координат, од­на из которых совпадает с направлением сдвига, имеет только две равные друг другу, отличные от нуля и выражающиеся через относительный сдвиг компо­ненты:

TOC o "1-5" h z 0 0,5уху 0

8| = 0,5уХу 0 0

0 0 0

где уХу = є = tgv — относительный сдвиг (см. рис. 1.24).

Относительный сдвиг часто называют характеристикой деформации при резании. Однако это было бы корректно, если бы деформация в зоне стружко­образования была однородной не только в стружке за конечной границей зоны стружкообразования, но и внутри этой зоны. В действительности деформация в зоне стружкообразования и в контактной пластической области всегда неод­нородна. Таким образом, относительный сдвиг может характеризовать только конечные деформации материала, уже прошедшего через зону стружкообразо­вания.

Расчеты показывают, что при резании материал получает весьма большие конечные деформации.

Например, при у = 0и<; = 2из (1.47) получим є = 2,5. Для сравнения ска­жем, что в стандартных испытаниях образцов на растяжение образец разрыва­ется при деформациях, приблизительно на порядок (то есть в 10 раз) меньших.

Условия непрерывности при плоской деформации выполняются не только для единственной плоскости сдвига, но и для зоны стружкообразования с па­раллельными границами.

Если конечная граница зоны стружкообразования, по данным многих ис­следователей, близка к прямой линии, то в отношении формы и положения начальной границы зоны деформации в литературе [82] имеются различные толкования. Так, в работах Т. Н. Лоладзе [57], Н. В. Талантова, В. И. Садчикова [82], Спаанса [50] и других приведены экспериментальные и теоретические доказательства параллельности границ зоны стружкообразования. А. А. Бриксом была предложена схема зоны стружкообразования в виде цен­трированного веера линий скольжения (рис. 1.26). Эта схема развивалась в работах Н. Н. Зорева [37], К. Окусимы и К. Хитоми [50] и др.

Согласно данной схеме точка А (х, у), находившаяся до деформации на свободной поверхности стружки, перемещаясь не параллельно начальной гра-
нице зоны деформации, расположенной под углом, а вдоль луча, наклоненного к линии среза под углом, большим, чем фо (см. рис. 1.26).

Новые координаты (х’,уґ) точки А связаны со старыми координатами (х, у) уравнениями

х’ = кх + 0 • у, | у’ = 0 • х + ку. J

Определитель матрицы преобразования, описы­вающего деформацию не­сжимаемого материала при выполнении условий непре­рывности, как известно, должен быть равен единице.

Однако это возможно только при /с=1, т. е. при параллель­ных границах и ф0=ф1.

Приведенные выше до­казательства относятся только к условиям дефор­мации непрерывной несжи­маемой среды. В тех случа­ях, когда условия плоскост­ности, непрерывности или сплошности нарушаются, схема зоны деформации в виде центрированного веера линий скольжения может иметь место. Но это подходит не к зоне стружкообразования А, а к областям Б и Г контактной пла­стической зоны (см. рис. 1.20).

Одним из следствий деформации в условиях непрерывности деформируе­мого материала и контакта стружки с инструментом является возникновение в стружке направлений преимущественной ориентации зерен — текстуры струж­ки (см. рис. 1.25).

При простом сдвиге механизм образования текстуры заключается в том, что окружность

x2+y2 = t2 (1.66)

преобразуется в эллипс. При этом зерна кристаллов металла, имевшие форму окружности, получают ориентацию в направлении большой оси эллипса (см. рис. 1.25). Оси эллипса указывают направления координат, относительно которых сдвиговые компоненты деформации равны нулю, а линейные отличны от нуля. Эти направления называют главными.

Угол v|/ между большой осью эллипса и направлением сдвига называют уг­лом текстуры.

Между углом текстуры и относительным сдвигом имеется связь. Для уста­новления этой связи выразим х, у из (1.65) и, подставив их в (1.66), получим

(1.67)

В полярных координатах х’ = р cosG, у’= р sinG уравнение (1.67) преобразу­ется к виду

р2

є2 Sin2 0-881020 + 1 = ^-. (1.68)

Р

Угол текстуры у найдем из того условия, что при 0 = у полярный радиус р максимален, а р’е = 0:

откуда

(1.70)

Формулы (1.69), (1.70) позволяют не только определять угол текстуры по известному относительному сдвигу, но и решать обратную задачу — оценивать относительный сдвиг по известному углу текстуры.

Так, в тонком контактном слое стружки угол текстуры х^, измеренный отно­сительно направления сдвига вдоль передней поверхности, может достигать значительно меньших значений (около 1° и менее), чем в основном сечении стружки. Это свидетельствует о чрезвычайно больших сдвиговых деформациях тонкого контактного слоя стружки, достигающих порядка сотни единиц.

Необходимо иметь в виду, что описанные в настоящем параграфе резуль­таты относятся к текстуре стружки и к конечной деформации частиц обрабаты­ваемого материала, прошедших зону стружкообразования и находящихся в стружке. Деформированное состояние материала внутри зоны деформации не соответствует простому сдвигу, а текстура в этой зоне неоднородна. Описание процесса деформации при переходе частиц обрабатываемого материала через зону деформации, не являющуюся плоскостью сдвига (см. рис. 1.25), имеет большое значение для оценки скоростей деформаций, анализа упрочнения и разупрочнения материала и др.