Напряженное состояние зоны резания

КОНТАКТНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ РЕЗАНИИ

Процессы, происходящие на контактных поверхностях лезвия инструмента, заготовки и стружки, вследствие высоких скоростей деформации срезаемого слоя, давления и температур в зоне резания имеют некоторые особенности по сравнению с обычными контактными процессами трения деталей машин. В этих процессах можно выделить:

1. Механическое срезание макро - и микронеровностей на контактных поверхностях;

2. Адгезию (схватывание) инструментального и обрабатываемого материалов;

3. Диффузию (перенос) одного материала в другой на макро- (налипы, навалакивания) и микро- (фазовые превращения, текстуры, образование новых структур ) уровнях;

4. Адсорбцию (поглощение вещества из газовой или жидкой среды поверхностью тела) и химические реакции между элементами контактных поверхностей и внешней среды;

5. Электростатические и электромагнитные явления.

Контактные процессы происходят в тонком слое, называемом граничным слоем. Граничный слой служит своего рода основной для других контактных процессов, например, для образования наростов, изменения условий трения и изнашивания и т.д.

ПЛОЩАДКИ КОНТАКТА И НАПРЯЖЕНИЯ В ЗОНЕ ДЕФОРМАЦИИ

Контактные процессы в зоне деформации в основном связаны с передней и задней поверхностями лезвия инструмента ( рис. 9.1 ). На передней поверхности лезвия выделяют участок ОD пластического контакта и участок DF упругого контакта со стружкой.

Рис. 9.1. Схема площадок контакта и напряжений в зоне стружкообразования

Длина пластического контакта зависит от переднего угла инструмента, толщины срезаемого слоя и коэффициента усадки стружки и может быть определена по эмпирической зависимости:

, ( 9.1)

где – толщина срезаемого слоя;

– коэффициент укорочения стружки;

– передний угол лезвия.

Из формулы (9.1) видно, что растет при увеличении и а и уменьшается при увеличении угла . Отношение не превышает 0,7 и для конструкционных материалов чаще всего составляет 0,5.

С площадками контакта и на передней поверхности лезвия в основном связанны деформационные процессы в зонах вторичной и первичной деформаций (см. рис. 6.4), а также процессы формирования стружки. Площадка контакта по задней поверхности лезвия связана в основном с процессами изнашивания инструмента и формирования обработанной поверхности.

Сложный характер контактных процессов сказывается на распределении контактных напряжений на передней и задней поверхностях лезвия инструмента и на поверхности сдвига. Распределение нормальных контактных напряжений σ на передней и задней поверхностях лезвия подчиняется экспоненциальному закону, т.е. вблизи режущей кромки напряжения имеют большие значения, достигающие предела прочности инструментального материала, и на удалении от нее по длине lп и l3 напряжения резко уменьшаются до нуля в точках отрыва стружки и заготовки от соответственно передней и задней поверхностей инструмента. Касательные контактные напряжения τ на участке OD пластического контакта стружки с передней поверхностью лезвия имеют постоянные значения и уменьшаются до нуля на участке DF упругого контакта. Касательные напряжения τ у задней поверхности l3 имеют экспоненциальный закон распределения с максимум вблизи режущей кромки.

Распределение нормальных напряжений в плоскости сдвига характеризуется большими значениями растягивающих напряжений вблизи режущей кромки и резким падением их с переходом в область сжатия по мере удаления от кромки. Растягивающие напряжения у режущей кромки могут приводить к трещинообразованию в обрабатываемом материале, облегчающему, с одной стороны, процесс резания, а, с другой стороны, создающему скрытую опасность поломки детали в процессе эксплуатации.

ТРЕНИЕ НА КОНТАКТНЫХ ПЛОЩАДКАХ

Существование двух участков контакта на передней поверхности лезвия инструмента приводит к двоякой природе трения при резании. На участке (см. рис. 9.1 и 6.4) расположен заторможенный слой, в пределах которого стружка движется не по передней поверхности, а по заторможенному слою, и сопротивление, оказываемое движению стружки, определяется сопротивлением сдвигу в контактном слое стружки. На этом участке внешнее трение скольжения отсутствует и заменяется '' внутренним'' трением между отдельными слоями стружки. На участке lу стружка контактирует непосредственно с передней поверхностью. Здесь осуществляется внешнее трение скольжения и сопротивление движению стружки определяется силой трения между стружкой и передней поверхностью. Кроме того, как было показано ранее, контактным процессам при резании присущи механические, адгезионные, диффузионные и химические компоненты, которые усложняют известные представления о трении скольжения двух тел.

Согласно закону Амонтона – Кулона коэффициент внешнего трения скольжения равен f = F / N = τ /σ , где F – сила трения, N – сила нормального давления, τ – касательные напряжения, σ – нормальные напряжения и отражает адгезионную составляющую контактных процессов. При резании кроме адгезионной компоненты трения следует учитывать также механическую компоненту. В настоящее время средний коэффициент трения при резании описывается зависимостью , где - постоянная механическая составляющая коэффициента трения, зависящая от шероховатости поверхности (коэффициент скольжения); - переменная адгезионная составляющая коэффициента трения.

Значения при резании колеблются в пределах 1,2…3 и определяются обычно экспериментально с использованием «разрезного резца» или аналитически, исходя из схемы действия сил резания на инструменте.