Трактовка физической сущности влияния условий резания на характеристи­ки процесса стружкообразования и, в частности, на усадку стружки и длину кон­такта стружки с инструментом в разное время давалась различными исследо­вателями. В настоящее время сложилось два различных подхода к этой про­блеме. На формирование и развитие одного их этих подходов значительное влияние оказали теоретические решения К. А. Зворыкина [82], Ф. Мерчанта [4] и других о связи угла наклона условной плоскости сдвига с направлением равнодействующей сил на передней поверхности или с углами трения ті и передним у:

ФУ = я/4 — со/2 = я/4 — (л — у )/2.

В связи с этим центральное место в этой схеме взаимосвязи факторов при резании металлов занимали угол действия равнодействующей ю или коэффи­циент трения

ц = arctg ті.

Так, А. М. Розенберг [86] считал, что усадка стружки зависит только от угла действия, характеризующего направление равнодействующей сил на передней поверхности, или от переднего угла и коэффициента трения. Им было показа­но, что при резании конкретного обрабатываемого материала инструментом с постоянными геометрическими параметрами режимам одинаковых температур передней поверхности соответствует одинаковая усадка стружки.

При этом предполагалось, что температура передней поверхности влияет на усадку стружки только через изменение коэффициента трения.

Н. Н. Зорев [37, 82] также отмечал важную роль коэффициента трения и пе­реднего угла.

Однако выполненная им проверка соотношений между углом действия и уг­лом наклона условной плоскости сдвига, коэффициентом трения и усадкой стружки выявила значительные количественные расхождения между теорети­ческими и экспериментальными результатами [52, § 2.4]. Кроме того, было вы­
явлено большое число факторов, не вошедших в теоретические формулы К. А. Зворыкина, Мерчанта и других, но оказывающих большое влияние на угол наклона условной плоскости сдвига или усадку стружки. К ним относятся ско­рость резания, прочностные характеристики обрабатываемого материала, теп­лопроводность инструментального материала. Было также показано, что пе­редний угол инструмента оказывает непосредственное влияние на угол накло­на условной плоскости сдвига или усадку стружки, не связанное с изменением

М. Ф. Полетика [78], развивая пред­ставления Н. Н. Зорева о взаимосвязи характеристик стружкообразования, по­лучил экспериментальные доказатель­ства тому, что усадка стружки может существенно изменяться в зависимости от коэффициента теплопроводности инструментального материала и от вза­имной адгезионной способности обра­батываемого и инструментального ма­териалов (рис. 7.22 и 7.23).

Для исследования влияния тепло­проводности инструментального мате­риала обрабатывался свинец при неизменной геометрии резца и постоянных глубине резания и подаче, а в качестве инструментальных материалов с раз­личными значениями коэффициента теплопроводности применялись быстро­режущая сталь Р9, титановый сплав ВТ2, твердые сплавы Т15К6 и ВК8 и бе — риллиевая бронза Бр. Б2 (см. рис. 7.22).

С 20

16

12

8

4

Для оценки влияния адгезионной способности инструментального материа­ла обрабатывалась медь резцами из бронзы Бр. Б2, титанового сплава ВТ2 и чистого вольфрама W. При замене вольфрамового резца бронзовым усадка стружки увеличилась в 5 раз. Отмечалось, что влияние теплопроводности ин­струментального материала сохранялась и при постоянной температуре кон­такта стружки с резцом.

При анализе взаимосвязей факторов в процессе резания важная роль от­водилась условиям равновесия сил и моментов, действующих на стружку со стороны передней поверхности инструмента и зоны стружкообразования [82]. Допускалось также, что высокие температуры, возникающие в контактном слое стружки, оказывают некоторое влияние на сопротивление сдвигу, которое в большинстве случаев считалось несущественным, проявлялось в изменении коэффициента трения.

Несмотря на широкое распространение теории К. А. Зворыкина, Ф. Мерчанта и других, использование ее для объяснения взаимосвязи факто­ров при резании далеко не всегда может быть признано правомерным. Ограни­чения к применению этой теории связаны с использовавшимися допущениями. Основное допущение заключалось в постоянстве угла трения (коэффициента трения), в его независимости от угла наклона условной плоскости сдвига.

В действительности это возможно только для тех условий резания, при ко­торых полностью отсутствуют пластические деформации в контактной прирез — цовой области и взаимодействие стружки с инструментом описывается только законом трения (<7р=ц <7л/, и = const). Такие условия не характерны для практи­чески применяющихся режимов резания. Поэтому сопоставление теории с экс­периментом в широкой области изменения условий резания некорректно. Еще одно допущение состояло в постоянстве средних касательных напряжений в условной плоскости сдвига, т. е. в независимости этих напряжений от угла наклона условной плоскости сдвига (или от деформации), температуры и ско­рости деформации. Правомерность такого допущения не подтверждается имеющимися экспериментальными данными. И, наконец, схема резания инст­рументом с полной передней поверхностью не может рассматриваться как общий случай резания. Необходимо рассматривать и другие схемы: резание инструментом со стабилизирующей фаской, с направляющей фаской и пере­менным действительным передним углом схода стружки, резание с наростом на передней поверхности режущего лезвия. Каждая из этих схем имеет свои особенности, в результате чего закономерности взаимосвязи факторов также могут иметь свою специфику.

Аналогом теории К. А. Зворыкина, Ф. Мерчанта и других для схемы резания инструментом со стабилизирующей фаской при допущении о постоянстве средних касательных напряжений на передней поверхности и в условной плос­кости сдвига является формула [52]

Здесь f — проекция ширины фаски на основную плоскость (f= С cos yf). Из этой формулы следует, что если бы касательные напряжения на передней поверх­ности и в условной плоскости сдвига оставались неизменными при любых ус­ловиях резания, то усадка стружки С, зависела бы только от одного фактора — относительной ширины стабилизирующей фаски f/a.

В действительности касательные напряжения на передней поверхности и в зоне стружкообразования не остаются постоянными в процессе резания. Из­менение этих напряжений описывается определяющими уравнениями, учитывающими влияние деформации, скорости деформации и температуры. При этом усадка стружки определяется уже не такими простыми формулами, а более сложными алгоритмами. Однако для качественного анализа взаимосвязи факторов в процессе резания можно считать, что условия резания влияют на усадку стружки в основном через изменение отношения qp/iy средних каса­тельных напряжений в зоне стружкообразования и на передней поверхности инструмента. Изменения отношения др/ту, в свою очередь, зависят от темпера­тур в зоне стружкообразования и на передней поверхности инструмента. Такой подход к объяснению взаимосвязей факторов при резании будем называть термомеханическим.

Применение термомеханического подхода целесообразно в тех случаях, ко­гда контакт стружки с инструментом пластический и температуры в зоне де­формации достаточно высоки.

Одним из факторов, влияющих на усадку стружки, является показатель деформационного упрочнения т. Увеличение склонности материала к упроч­нению при растяжении приводит к увеличению деформации, при достижении которой часть деформации происходит в локализованной области вблизи ко­нечной границы зоны стружкообразования (локализованного сдвига). При этом уменьшается разупрочнение материала вблизи конечной границы зоны струж­кообразования и увеличивается отношение ту/5й средних касательных напря­жений в условной плоскости сдвига к действительному пределу прочности при растяжении. При больших касательных напряжениях в условной плоскости сдвига равновесие сил, действующих на стружку со стороны условной плоско­сти сдвига и передней поверхности, достигается при меньшей площади услов­ной плоскости сдвига. Следовательно, при резании материалов с большими показателями деформационного упрочнения при прочих равных условиях будут иметь место больший угол фу наклона условной плоскости сдвига и меньшая усадка стружки £. Аналогичное влияние на усадку стружки оказывает относи­тельное удлинение при растяжении 8 (или є2).

Отношение действительного предела прочности к удельной объемной теп­лоемкости обрабатываемого материала (или безразмерного комплекса

Ai = St/(CvTnn) ) влияет на отношение т/8ь аналогично показателю деформа­ционного упрочнения и относительному удлинению, но, кроме того, с ростом этого фактора увеличивается температура на передней поверхности, что при­водит к снижению средних касательных напряжений qF. Последнее также спо­собствует уменьшению усадки стружки.

Увеличение действительного переднего угла схода стружки у0 влияет на усадку стружки через уменьшение конечного истинного сдвига ги. С уменьше­нием конечного истинного сдвига снижается конечная температура деформа­ции и увеличивается среднее касательное напряжение в условной плоскости сдвига, что приводит к уменьшению усадки стружки.

Скорость резания и толщина срезаемого слоя оказывают влияние на усадку стружки через изменение температуры на передней поверхности. С увеличени­ем температуры уменьшается среднее касательное напряжение на передней поверхности, в связи с чем равновесие сил, действующих на стружку достига­ется при меньшей площади условной плоскости сдвига и меньшей усадке стружки. При этом в качестве безразмерного комплекса факторов, обобщаю­щего влияние скорости резания, толщины срезаемого слоя и коэффициента температуропроводности обрабатываемого материала, целесообразно исполь­зовать критерий Пекле (Ре =(va)Aо).

Это следует не только из вида формул температуры на передней поверхно­сти инструмента, но и из того, что зависимости усадки стружки от скорости ре­зания, полученные при различных подачах и прочих постоянных условиях ре­зания, в координатах «усадка стружки — критерий Пекле» сливаются в единую кривую (см. рис. 7.21). Увеличение температуры на передней поверхности уменьшает сопротивление сдвигу не на всей длине контакта стружки с инстру­ментом, а только в области В на участке разупрочнения материала. В области Б — на участке упрочнения касательные напряжения (см. рис. 1.20) не зависят от критерия Ре и остаются достаточно большими при любых скоростях реза­ния.

Максимальное значение предела текучести на передней поверхности может быть существенно больше, чем в зоне стружкообразования. Это связано с ра­зупрочнением материала в локализованной области вблизи конечной границы зоны стружкообразования. Вследствие этого и становится возможным возник­новение нароста на передней поверхности инструмента. В области режимов наростообразования на усадку стружки оказывает влияние действительный пе­редний угол нароста, который зависит от температуры передней поверхности [86].

С усадкой стружки тесно связаны многие другие характеристики процесса стружкообразования (относительная длина контакта стружки с инструментом, температуры, касательные и нормальные напряжения в зоне стружкообразо­вания и на передней поверхности, удельные силы резания. Таким образом, на примере усадки стружки рассматривалось влияние условий резания и на другие характеристики стружкообразования.

Анализ взаимосвязей факторов при резании был бы неполным, если бы он не охватывал все возможные схемы стружкообразования. Так, при резании ин­струментом со стабилизирующей или с направляющей фасками в число факто­ров, влияющих на усадку стружки, необходимо включить относительную шири­ну фаски f/a, а к числу характеристик процесса стружкообразования необходи­мо отнести действительный передний угол схода стружки. В этих схемах влия­ние условий резания на характеристики процесса стружкообразования прояв­ляется не только через изменение сопротивления сдвигу, но и через изменение эпюр распределения нормальных напряжений на передней поверхности. Благодаря этому обеспечивается равенство моментов сил, действующих на стружку.

Практическое значение схем стружкообразования с укороченной передней поверхностью, с упрочняющими фасками и застойными зонами возрастает в связи с широким применением криволинейной формы передней поверхности режущего лезвия с упрочняющими и стабилизирующими фасками. Эти формы часто применяются как элементы конструкций режущих пластин с механиче­ским креплением. Однако и инструменты с плоской передней поверхностью по­сле некоторого времени работы в результате изнашивания зачастую принима­ют форму криволинейной поверхности с упрочняющей фаской. Этому способ­ствует неравномерное распределение температуры передней поверхности: максимальной температуре соответствует наибольшее углубление передней поверхности (наиболее глубокое место лунки на передней поверхности).

При анализе взаимосвязи характеристик процесса резания следует учиты­вать влияние нароста и застойных зон, а также измерение геометрии режущего лезвия вследствие износа в процессе резания. Однако эти вопросы будут рас­смотрены позже.

Вопросы для самопроверки

1. От каких факторов зависит предел текучести при резании: от де­формации? от скорости деформации? от температуры? от взаимосвязи этих факторов? Приведите экспериментальные факты, подтверждающие справедливость Ваших выводов.

2. Что такое максимальный предел текучести материала в условиях адиабатических деформаций? От каких факторов он зависит и где проявля­ется при резании?

3. Влияние локализации деформаций вблизи конечной границы на средние касательные напряжения в условной плоскости сдвига.

4. Где больше максимальные значения предела текучести: в условной плоскости сдвига или на передней поверхности инструмента?

5. Где больше средние значения предела текучести: в условной плоско­сти сдвига или на передней поверхности инструмента?

6. Как учитывается взаимосвязь предела текучести и температуры пе­редней поверхности для условий резания?