Глава 6. ТЕМПЕРАТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ПРИ РЕЗАНИИ

6.1. Экспериментальные исследования влияния температуры и скорости деформации на предел текучести при резании

В настоящее время большинство исследователей использует положение о независимости предела текучести обрабатываемого материала от температу­ры и скорости деформации [4, 82]. Наряду с этим существует и другая точка зрения. Так, Т. Н. Лоладзе [57] в опытах по резанию предварительно подогре­тых сталей и сплавов наблюдал, что с увеличением температуры подогрева касательные напряжения в условной плоскости сдвига существенно уменьша­ются (рис. 6.1).

В опытах Финни и Уолэка [50] при предварительном охлаждении обраба­тываемой заготовки (рис. 6.2, кривые 2 и 3) касательные напряжения в услов­ной плоскости сдвига возрастали.

Эти данные доказывают существен­ность влияния температуры деформа­ции на предел текучести при резании и дают основание предположить, что при резании без предварительного подо­грева или охлаждения касательные напряжения в зоне стружкообразования мало меняются не потому, что они не зависят от температуры, а лишь пото­му, что сама температура деформации в тех условиях изменялась в сравнительно узком диапазоне.

Оценка влияния скорости деформации на средние касательные напряже­ния при резании осложняется тем, что оно проявляется на фоне разупрочняю — щего влияния температуры деформации. Для того, чтобы уменьшить влияние температуры, Н. Н. Зорев проводил опыты по измерению касательных напря­жений при растяжении и резании сталей с малой скоростью резания

v = 0,2 м/мин при толщине срезаемого слоя а = 0,22 мм и переднем угле у =20° [37].

Результаты сопоставления касательных напряжений в условной плоскости сдвига при резании с экстраполированными на соответствующие деформации средними касательными напряжениями при растяжении представлены в табл. 6.1 и на рис. 6.3.

Экстраполяция напряжений при растяжении на деформации, соответст­вующие резанию, выполнялась с помощью уравнения

где є0 = л/31п(1 + е2) Л = {ч/31п(1 + е2ГГ-

Если бы закон упрочнения материала для растяжения и резания был один и тот же, то средние напряжения при резании и растяжении при одинаковых

деформациях должны были бы совпасть. Однако, как следует из табл. 6.1. и рис. 6.3, напряжения при резании в 1,3-1,5 раза выше, чем экстраполиро­ванные на те же деформации напряжения при растяжении. Для объяснения более высокого уровня касательных напряжений при резании при равных де­формациях и вследствие малых скоростей фактически при равных температу­рах необходимо допустить заметное влияние скорости деформации.

Существенное влияние скорости деформации на касательное напряжение в зоне стружкообразования наблюдалось также в опытах А. М. Розенберга [86] при резании свинца и алюминия. Для исключения влияния температуры эти опыты также проводились в диапазоне весьма малых скоростей резания (рис. 6.4).

Увеличение скорости в 1000 раз вызвало повышение предела текучести обрабатываемого материала: при резании свинца — в 1,8 раз (см. рис. 6.4), при резании алюминия — в 1,26, а при резании стали — всего в 1,05 раза.

Ту, МПа 30

20 10

0,0001 0,001 0,01 0,1 1.0 10 100 У м/мин

Эти, а также другие имеющиеся экспериментальные результаты, некоторые из которых представлены в табл. 6.2, хорошо согласуются с тем, что влияние скорости деформации на предел текучести определяется не только относи­тельным изменением скорости деформации, но и гомологической температу­рой. Это иллюстрируется сопоставлением опытов Т. Н. Лоладзе [57] по резанию предварительно подогретой Стали 40 с опытами Н. Н. Зорева [37] по растяже­нию предварительно подогретой Стали 50 (рис. 6.5). С увеличением гомологи­ческой температуры Т’ отношение касательных напряжений ху при резании к пределу текучести тт при растяжении (т. е. коэффициент динамичности Кг) возрастает.

Опыты, представленные на рис. 6.5, свидетельствуют также о том, что «уп­рочняющее» влияние температуры, усиливающее влияние скорости деформа­ции на предел текучести, не может полностью компенсировать непосредст­венного разупрочняющего влияния температуры.

В результате описанного влияния температуры на предел текучести в об­ласти характерных для резания высоких температур предел текучести обраба­тываемого материала в процессе резания с повышением температуры не оста­
ется постоянным (как это предполагалось многими исследователями [82]), а существенно снижается.

Тт.

МПа

300

200

100 0

В табл. 6.2. приведены результаты оценки коэффициента динамичности Кг при точении свинца, алюминия и стали, полученные различными авторами в разных условиях резания.

Результаты опытов (см. табл. 6.2) иллюстрируются графиками (рис. 6.6). Как следует из сопоставления кривых 1 и 2 увеличение скорости деформации в 1000 раз при небольших гомологических температурах приводит к сравни­тельно небольшому росту предела текучести (в пределах 10-20%).

На практике скорость резания изменяется лишь в несколько раз, в пределах одного порядка. Как было показано в § 1.5, при этом примерно во столько же раз изменится и скорость деформации, чего совершенно недостаточно для существенного влияния на предел текучести.

Таким образом, о влиянии скорости деформации на предел текучести при ре­зании при постоянной температуре можно говорить лишь в сравнении резания

со статическими механическими испытаниями, при которых скорости деформа­ции ниже, чем при резании, приблизительно в 10®-10 9 раз. Однако увеличение температуры в зоне стружкообразования, на передней и задней поверхностях режущего лезвия (или застойной зоны) может существенно усилить влияние скорости деформации на предел текучести. Этот эффект влияния температуры особенно сильно проявляется в опытах по резанию предварительно подогрето­го металла (см. рис. 6.5).

Kt 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2

Наряду с «упрочняющим» воздействием через изменения степени влияния скорости деформации, повышение температуры, согласно существующим представлениям, может вызывать уменьшение предела текучести деформи­руемого материала. Однако в количественной оценке «разупрочняющего» влияния температуры различные исследователи расходятся. Так, А. М. Розен­берг [86] отмечал, что влияние температуры на напряжение при резании ста­лей не превышает 10% .

Вывод о том, что температура, возникающая в зоне стружкообразования, недостаточна высока, чтобы существенно повлиять на процесс стружкооб­разования, был сделан Н. Н. Зоревым и М. Ф. Полетикой [82]. Температура на передней поверхности значительно выше, чем в зоне стружкообразования. Но и ее влиянием на сопротивление деформируемого материала считалось воз­можным пренебречь на том основании, что это влияние могло быть в значи­тельной степени компенсировано влиянием скорости деформации [82].

Другая точка зрения, принадлежавшая Т. Н. Лоладзе [57], Финни и Уолэку [50] и другим, уже рассматривалась выше. Для доказательства существенно­сти влияния температуры на предел текучести этими авторами использовались
предварительные нагрев или охлаждение обрабатываемой заготовки. Но даже и без предварительного подогрева или охлаждения изменения касательных напряжений в зоне стружкообразования могут быть выявлены, если сравнивать не случайные значения касательных напряжений, а соответствующие наи­большим изменениям температуры деформации. Для этой цели подходит, например, сопоставление опытов по резанию с весьма малыми и с обычными скоростями.

Так, на рис. 6.4 представлены данные А. М. Розенберга [86] о касательных напряжениях при резании свинца с малыми скоростями (менее 1 м/мин) и дан­ные А. Н. Еремина [86] о напряжениях при скоростях более 100 м/мин. При больших скоростях резания касательные напряжения составляют приблизи­тельно 0,75 от экстраполированных значений напряжений, измеренных при малых скоростях. Такое уменьшение предела текучести связано с тем, что температура деформации при больших скоростях резания, по оценке авторов [86], на 74 К выше, чем при малых скоростях.

В области практически применяемых скоростей резания температура де­формации для конкретного обрабатываемого материала пропорциональна истинному сдвигу. Здесь представляют интерес опыты, в которых истинный сдвиг (а, следовательно, и температура деформации) изменялся в широком диапазоне.

Такие опыты проведены Н. Н. Зоревым (рис. 6.7) [37].

При точении сталей 35X3MH, 2X13, 4ХВС истинный сдвиг изменялся в пределах от 2 до 5 (рис. 6.7, а), что соответствовало увеличению температуры деформации от 250 до 450 °С (рис. 6.7, б). Уменьшение предела текучести, связанное с увеличением температуры деформации, составило при этом около 25%.

Пределы изменения температуры могут быть расширены, если касатель­ные напряжения в зоне стружкообразования и на укороченной передней по­верхности рассматривать как различные значения предела текучести, соот­ветствующие различным температурам. Результаты таких опытов представле­ны на рис. 6.8.

Ту.

МПа 500

400 300

2 3 4 6Н 2 3 4 ©в,°С

а) б)

Рис. 6.7. Косвенное влияние температуры деформации на касательные напря­жения в плоскости сдвига, связанное с изменением истинного сдвига при точе­нии сталей. Экспериментальные данные Н. Н. Зорева [37]:

1 — 35X3MH, 2 — 2X13, 3 — 4ХВС

Разброс экспериментальных точек, по-видимому, связан с тем, что кроме температуры на предел текучести оказывают влияние и другие факторы (спо­собность материалов к деформационному упрочнению, специфические свойст­ва материалов и др.). Однако тенденция влияния температуры на предел текучести при резании совершенно очевидна: увеличение температуры приводит к снижению предела текучести (рис. 6.8).

Экстраполяция зависимостей на нулевую температуру (температуру окру­жающей среды) позволяет оценить наибольшие значения предела текучести: при резании сталей они находятся в пределах (1,0-1,2) Sb. Это приблизительно вдвое больше предела текучести на сдвиг при статических испытаниях на рас­тяжение. Альтернативная гипотеза, заключающаяся в постоянстве отношений тy/Sb и c/p/St,, представлена на рис. 6.8. двумя горизонтальными прямыми xy/Sb = 0,8 и qF/Sb = 0,6. Согласно этой гипотезе отношение касательных на­пряжений должно оставаться неизменным. Представленные результаты свиде­тельствуют о лучшем согласовании с экспериментом гипотезы о влиянии тем­пературы на предел текучести при резании.

Еще одним доказательством существенных изменений касательных напря­жений при резании может служить анализ изменения отношения касательных напряжений при изменении условий резания. Для такого анализа могут быть использованы известные экспериментальные данные различных исследовате­лей об усадке стружки и силах резания при точении острым инструментом.

При этом относительная длина контакта стружки с резцом с/а вычислялась по формуле Н. Г. Абуладзе [57]:

с/а = с0,1[<;(1—tgy)+secy].

Пренебрегая влиянием сил на задней поверхности, отношение средних ка­сательных напряжений на передней поверхности и в условной плоскости сдви­га согласно схеме (рис. 6.9) вычислим по формуле

где <pу = arctg

Если бы гипотеза о постоянстве предела текучести при резании была спра­ведлива, то отношение q? hy средних касательных напряжений на передней

поверхности и в условной плоскости сдвига должно было бы оставаться неизменным при изменении усадки стружки и согласно данным [82] равняться 0,5. В действитель­ности же этого не происходит. Так, напри­мер, в опытах Н. Н. Зорева [37] (рис. 6.10) увеличению усадки стружки от 1,5 до 5,0 соответствовало двукратное увеличение отношения qp/ty.

Эти экспериментальные результаты можно считать доказательством того, что при резании инструментом с полной дли­ной контакта изменение отношения сред­них касательных напряжений на передней поверхности и в условной плоскости сдвига является одной из основных причин изме­нения усадки стружки (или угла наклона зоны стружкообразования).

Ранее [52] аналогичная закономерность была установлена теоретически для схемы резания инструментами с укороченной передней поверхностью (стабилизирующей фаской). При этом необходимо иметь в виду, что изменение отношения qF/ty средних касательных напряжений вызы­вается изменением предела текучести в различных областях зоны деформации и связано с неоднородностью распределе­ния температуры в зоне деформации.