Резание металлов представляет собой сложный процесс, сопровождающийся многими внутренними и внешними явлениями . При этом имеют место три стадии деформации срезаемого слоя: упругая, пластическая, и разрушения.
Характер и величина деформации зависят от физико-химических свойств обрабатываемого материала, режимов резания, геометрии инструмента, применяемых смазочно-охлаждающих жидкостей. Металлические материалы, являясь поликристаллическими телами с зернистой структурой, имея различные кристаллические решетки, по-разному пластически деформируются под действием инструмента; по-разному происходят превращения в срезаемом слое (стружке) и под обработанной поверхностью. При резании металлов и их сплавов отдельные кристаллы деформируются, а затем разрушаются по кристаллографическим плоскостям.
Процесс резания металла можно представить следующей схемой.
Рис. 1, Рис. 2.
В начальный момент, когда движущийся резец под действием силы Р (рис. 1) вдавливается в металл, в срезаемом слое возникают упругие деформации Увеличение же деформирующей силы приведет к внутрикристаллической деформации в зернах, плоскости скольжения в которых расположены менее благоприятно.
Дальнейшее повышение нагрузки вызовет разрушение зерен, а также перемещение и поворот их относительно друг друга. Происходит изменение структуры и физико-механических свойств тела - образование текстуры, возникновение внутренних напряжений, повышение твердости, понижение пластичности, уменьшение теплопроводности.
В плоскости, совпадающей с траекторией движения вершины резца, возникает касательные и нормальные напряжения.
τmax в точке А, по удалению падают.
σy в начале действуют как растягивающие (+σ), что при определенных условиях может вызвать «раскалывание» металла - опережающую трещину в направлении внешней силы.
От в точке А, затем уменьшаются, переходят через 0, превращаются в напряжения сжатия (-σ).
Возрастание пластической деформации приводит к сдвиговым деформациям. Различные физические явления, сопутствующие деформациям срезаемого слоя, находятся в следующей зависимости: характер получающихся стружек, их усадка, завивание, упрочнение.
Выделение тепла, действующего на инструмент, срезаемый слой на обрабатываемую поверхность и прилегающий к ней верхний слой материала изделия.
Образование нароста.
Упрочнение поверхностного слоя, возникновение остаточных напряжений, явление отдыха (разупрочнение и рекристаллизация).
Трение стружки о переднюю поверхность инструмента и трение задней поверхности инструмента о поверхность резания.
Возникновение вибраций.
Наибольшие пластические деформации возникают в зоне стружкообрвзования АВС (рис 1) Зона деформирования ограничивается линией АВ, вдоль которой происходят первые сдвиговые деформации, и линией АС, вдоль которой происходят последние сдвиговые деформации.
В момент, когда пластические деформации достигнут наибольшей величины, а напряжения превысят силы внутреннего сцепления зерен металла, зерна смещаются относительно друг друга и скалывается элементарный объем (Рис 2). Далее процесс деформирования повторяется и образуется стружка.
При больших скоростях резания считают, что сдвиги идут не по АВ и АС, а по 00 -плоскость сдвига, θ-угол сдвига.
Установлено русским К А Тиме, К. А Зворыкиным.
Срезаемый слой, превратившись в стружку, подвергается дополнительной деформации вследствие трения стружки о переднюю поверхность инструмента. Зерна вытягиваются по плоскости О1О, которая составляет с плоскостью сдвига ОО угол β.
Таким образом, резание это процесс последовательного деформирования срезаемого слоя металла; упругого, пластического, разрушения - зависит от свойств материала. У хрупких металлов пластические деформации практически отсутствуют.
Для сталей средней твердости θ-30°, β зависит от свойств обрабатываемого материала и угла резания
Тепловые явления
Механическая работа затрачиваемая на срезание с заготовки припуска превращается в тепловую энергию.
Количество теплоты, выделяющееся в процессе резании, приближенно можно определил, из выражения Q=Pz V Дж/мин. Тепловой баланс процесса резания:
Q=Qд+QП.П+Qз.т=Qс+Qзаг+QИ+QЛ
Qд - количество теплоты, выделяющееся при упруго-пластических деформациях;
QП.П - количество теплоты при трении о переднюю поверхность;
Qз.т - количество теплоты при трении инструмента о заготовку;
Qс -количество теплоты, отводимое стружкой;
Qзаг - количество теплоты, отводимое заготовкой;
QИ - количество теплоты, отводимое инструментом; .
QЛ- теплота лучеиспускания - переходит в окружающую среду.
Значения слагаемых зависят физико-механических свойств материала, инструмента, режимов, геометрии и тд.
В зависимости от режимов стружкой отводится 25-95% всей теплоты, заготовкой -10-50% инструментом 2-8%.
Тепловыделения отрицательно сказываются на процессе резания.
Лезвие нагревается до Т0=800-10000С. Ускоренный износ, структурные превращения приводят к потере режущих свойств.
Изменяются геометрические размеры заготовки Наибольшее влияние на Т 0С оказывает V Наименьшее - глубина резания.
Лекция № 3
Сущность процессов резания
3.1.Конструкционные и инструментальные материалы
3.2. Процесс резания
3.3. Физические явления, сопровождающие процесс резания
Конструкционные и инструментальные материалы
Резанием обрабатываются заготовки, полученные из следующих конструкционных материалов – углеродистые стали качественные и обыкновенного качества, легированные стали, теплостойкие стали и труднообрабатываемые материалы.
Широкое распространение имеет углеродистая сталь, как соединение железа (Fe) с углеродом (C), содержание которого в стали не более 0,7%. Эталонной углеродистой сталью является сталь 45, обрабатываемость которой принята за единицу.
Режущие инструменты изготавливаются из инструментальных материалов следующих типов:
Ø инструментальные стали,
Ø твердые сплавы,
Ø металлокерамика,
Ø алмазы,
Ø сверхтвердые материалы (эльбор),
Ø абразивные материалы.
Основные требования к инструментальным материалам – это высокие физико-технические характеристики по прочности, твердости и теплостойкости. Физико-технические характеристики инструментальных материалов должны быть в 2 раза выше таких же характеристик обрабатываемых заготовок.
Инструментальные стали получили широкое распространение для изготовления массовых типов режущего инструмента. Основными инструментальными сталями являются:
Ø Углеродистые стали марок – У7, У8…У13.
Ø Легированные стали марок – ШХ-15, 9ХС, ХВГ.
Ø Быстрорежущие стали марок – Р18, Р6М5, Р6М5К5.
Процесс резания
Процессом резания называется работа, выполняемая режущим инструментом по отделению припуска от заготовки в виде стружки и преодолению сил трения.
Главным элементом режущего инструмента является режущий клин.
Главным параметром режущего клина является угол заострения (β)
Главными углами режущего клина являются:
· передний угол (α)
· задний угол (γ)
β + α + γ= 90°
Рис. 1. Параметры режущего клина
Рис.2. Схема режущего клина
На схеме режущего клина показаны главные поверхности и углы.
Линия 1,2 – это след плоскости, которая называется передней поверхностью.
Линия 3,4 – это след плоскости, которая называется задней поверхностью.
Эти две поверхности фактически никогда не сходятся в точку, так как между ними, при заточке режущего клина образуется радиусное сопряжение величиной до 500 мкм, определяемое кристаллической решеткой инструментального материала.
Такая форма режущего клина характерна для всех видов режущих инструментов, при работе которых происходит отделение припуска в виде стружки.
Стружкообразование
Слой металла, удаляемый с заготовки с целью придания ей формы и размеров готовой детали, называется припуском.
В процессе резания припуск превращается в стружку. Припуск может сниматься как за один , так и за несколько проходов режущего клина.
На обрабатываемой заготовке различают следующие поверхности:
ü обработанную – поверхность, с которой снята стружка;
ü обрабатываемую – поверхность, с которой снимается стружка;
ü поверхность резания , образованную непосредственно режущей кромкой режущего инструмента.
Изобразим графически (Рис.3.) отделение припуска от основной заготовки
Рис.3. Схема отделения припуска от основной заготовки
На схеме обозначены точками следующие элементы:
3,5 – обработанная поверхность
7,8 – обрабатываемая поверхность
3,8,9,2 – зона деформации
2,9,10,11,2 – стружка
1,2,3,4 – режущий клин
6,7,8,3 – припуск
1,2 – передняя поверхность режущего клина
3,4 – задняя поверхность режущего клина
r – радиус закругления режущей кромки
α – передний угол
β – угол заострения
γ – задний угол
В процессе резания на вершине режущего клина возникает сила резания R, преодолевающая силу сопротивления припуска отделению от заготовки и силы трения стружки о переднюю поверхность и трения задней поверхности режущего клина об обработанную поверхность. При этом в снимаемом припуске протекают сложные процессы упругого и пластического деформирования. Укажем на представленном выше рисунке 3. две зоны деформации припуска.
8,9 – зона пластической деформации
9,10 – зона сдвига частиц снимаемого припуска по плоскостям межкристаллических связей (12,13).
Рис. 4. Виды стружки.
В процессе резания заготовка и режущий инструмент находятся в относительном движении. Процесс резания выполняется при наличии основных и вспомогательных движений.
Основные движения, совершаемые заготовкой и режущим инструментом, делятся на главное движение и движение подачи.
Главное движение – это движение заготовки или инструмента, совершаемое с наибольшей скоростью.
Главное движение обозначается Dr. Главное движение - скорость наибольшая.
Движение подачи имеет меньшую скорость – скорость подачи S. Это движение обеспечивает врезание режущего клина инструмента в новые слои металла и обозначается DS. Движение подачи обеспечивает врезание в новые слои металла
По характеру и Dr, и DS могут быть вращательными или прямолинейно-поступательными.
При разных методах обработки главное движение и движение подачи осуществляются или обрабатываемой заготовкой, или режущим инструментом.
Например:
· при точении Dr совершается заготовкой, а DS – режущим инструментом (резцом) рис. 4.
Рис. 4 Схема точения.
· при цилиндрическом фрезеровании Dr совершается режущим инструментом (фрезой), а DS – заготовкой; Рис. 5.
Рис. 5 Схемы обработки резанием
· при сверлении, возможно, что оба движения совершает режущий инструмент (сверло), а заготовка неподвижна.
Совокупность движений Dr и DS обеспечивает получение поверхности требуемой формы. С учетом величины скорости и направлений движений Dr и DS можно рассматривать результирующее движение De.
De – суммарное движение режущего инструмента относительно движущейся заготовки. Движение De характеризуется скоростью результирующего движения Ue .
Эффективность и производительность процесса резания зависит от:
Ø физико-технических свойств металла (материала заготовки и инструмента) HRC, HB, T °C;
Ø геометрических параметров режущей части инструмента;
Ø параметров режима резания (v, s, t);
Ø условий обработки.
Физические явления, сопровождающие процесс резания
В процессе резания выполняется работа, затрачивается энергия. Эта энергия распределяется между двумя видами работ.
N = Aпол + Aвсп, где:
Апол – полезная работа по отделению припуска от заготовки в виде стружки
Авсп – вспомогательная работа по преодолению сил трения, сил сопротивления упругой и пластичной деформации.
Совершаемая работа сопровождается целым комплексом физических явлений.
Основными физические явлениями, сопровождающими процесс резания, являются:
1. сила резания (R)
2. температура резания (T ˚С)
3. износ инструмента (режущего клина) (h3)
4. усадка стружки (l)
Процесс резания при фрезеровании сложнее, чем при точении. При точении резец непрерывно находится в контакте с заготовкой и срезает стружку постоянного сечения. При всех видах фрезерования с заготовки срезается прерывистая стружка переменной толщины.
Кроме того, при фрезеровании каждый зуб фрезы входит в контакт с обрабатываемой заготовкой и выходит из контакта при каждом обороте фрезы. Вход зуба в контакт с обрабатываемой заготовкой сопровождается ударом.
Таким образом, условия работы фрезы значительно тяжелее условий работы резца при точении. Поэтому важно знать основные закономерности процессов фрезерования, чтобы в каждом конкретном случае производить обработку при наивыгоднейших условиях с наибольшей производительностью.
Как указывалось выше, процесс резания металлов при фрезеровании не имеет принципиальных отличий от процесса резания при точении. Остановимся на некоторых явлениях, сопровождающих процесс резания.
Срезанный слой металла в виде стружки, как известно, может иметь различный вид в зависимости от условий обработки. По классификации проф. И. А. Тиме стружка может быть следующих типов: сливная, скалывания и надлома.
Нарост при резании металлов . При резании вязких металлов в некоторых случаях на передней поверхности инструмента образуется так называемый нарост. Это прикрепившийся (приварившийся) к передней поверхности резца сильно деформированный кусочек обрабатываемого материала в виде клина большой твердости (рис. 182). Этот кусочек металла непрерывно сходит со стружкой и снова образуется. Он по существу является режущей частью инструмента и предохраняет режущую кромку от износа. Однако если на передней поверхности инструмента образовался нарост, то ухудшается качество обработанной поверхности. Поэтому при чистовой обработке металлов, а также при нарезании резьбы нарост является вредным явлением. Для его ликвидации следует тщательно доводить переднюю поверхность инструмента или изменять скорость резания (чаще в сторону ее увеличения до 30 м/мин и выше), а также применять соответствующие условиям обработки смазывающе-охлаждающие жидкости.
Рис. 182. Нарост при резании металлов
Усадка стружки . При резании металлов стружка деформируется и оказывается короче того участка, с которого она срезана (рис. 183).
Рис. 183. Усадка стружки
Это явление укорочения стружки по длине называется продольной усадкой стружки.
Объем металла при деформировании практически не меняется. Следовательно, укорачивание стружки по длине должно сопровождаться увеличением площади поперечного сечения стружки. Увеличение площади поперечного сечения называется поперечной усадкой стружки.
Деформирование стружки приводит к ее завиванию. Канавки режущих инструментов (сверл, протяжек, фрез и др.) должны обеспечивать возможность свободного размещения завивающейся стружки.
Тепловые явления при резании металлов . В процессе резания металлов обрабатываемая деталь, режущий инструмент и стружка нагреваются. При увеличении скорости резания, особенно во время снятия тонких стружек, температура в зоне резания увеличивается до 60°.
При дальнейшем повышении скорости резания в ряде случаев можно наблюдать сходящую стружку, нагретую до ярко-красного каления (900°С).
На обработанной поверхности стальной детали при этом могут быть заметны оттенки всех цветов побежалости, свидетельствующие о высокой температуре тончайшего поверхностного слоя детали в момент соприкосновения ее с задней поверхностью инструмента. Повышение температуры в зоне резания происходит в результате превращения затрачиваемой на процесс резания механической энергии в тепловую. Еще Я. Г. Усачев установил, что в стружку входит от 60 до 86% общего количества теплоты, образующейся при резании, в режущий инструмент - от 10 до 40% общего количества теплоты, а в обрабатываемую заготовку - от 3 до 10%. Необходимо отметить, что как в стружке, так и в инструменте теплота распределяется неравномерно. В режущем инструменте при непрерывной его работе устанавливается постоянный тепловой режим за несколько минут работы. Практически выравнивание температуры в обрабатываемой детали заканчивается уже после ее обработки. Образующееся в зоне резания тепло оказывает большое влияние на весь процесс резания и связанные с ним явления (наростообразование, износ инструмента и др.). Поэтому в теории резания металлов тепловым явлениям при резании металлов уделяется большое внимание.
Шероховатость обработанной поверхности . Проблема улучшения качества выпускаемой продукции наряду с непрерывным повышением производительности труда является важнейшей в машиностроении.
При оценке качества готовой детали учитывают следующие основные показатели: точность размера, точность геометрической формы и шероховатость поверхности.
Шероховатость обработанной поверхности зависит от следующих факторов: правильного выбора геометрических параметров (углов заточки) инструмента и прежде всего переднего угла, углов в плане, правильного выбора подачи, скорости резания, а также применения соответствующих смазывающе-охлаждающих жидкостей.
Для получения высокого класса шероховатости поверхности необходимо также, чтобы передняя и задние поверхности инструмента были тщательно доведены (обработка алмазными или абразивными мелкозернистыми кругами из зеленого карбида кремния).
Вибрации при резании металлов . В процессе резания металлов при определенных условиях возникают вибрации (колебания). Появление вибраций во многих случаях является основной причиной, ограничивающей возможность повышения режимов резания и производительности труда. Вибрации при резании металлов вредно отражаются на стойкости инструмента. Даже слабые вибрации препятствуют достижению высокого класса шероховатости обработанных поверхностей. При прочих равных условиях возможность возникновения вибраций при обработке чугуна значительно меньше, чем при обрабогке стали.
Вибрации можно устранить или уменьшить путем применения инструмента с малыми задними и большими передними углами, а также выбором соответствующих скоростей резания и условий охлаждения, при которых снижается интенсивность колебаний. Для устранения или уменьшения вибраций применяют специальные устройства - виброгасители.
1. Образование стружки. Как указывалось ранее режущей части резца придается форма несимметричного клнна, который с некоторой силой Р вдавливается в обрабатываемый материал. Под действием этой силы происходит сжатие срезаемого слоя, который деформируется не по всей длине, а только на небольшом участке, расположенном близко к передней поверхности резца.
Известно, что разрушению металла под действием приложенной силы предшествует постепенно изменяющийся характер деформации, Так, в пластичных металлах вначале возникают упругие (обратимые) деформации, вследствие которых зерна металла сжимаются или вытягиваются. Затем металл начинает пластически (необратимо) деформироваться. Зерна при этом сдвигаются друг от- 1 относительно друга. И, наконец, при некотором значении внешней силы, соответствующей прочности обрабатываемого материала, де
формированный участок скалывается и отделяется от основной массы, образуя элемент стружки. Такие явления последовательно повторяются в течение всего процесса резания.
Хрупкие металлы разрушаются почти без пластического деформирования при достижении предела упругости. Поэтому на их резание затрачивается значительно меньше работы, чем на пластичные металлы.
Скалывание элементов стружки происходит вдоль определенной плоскости АВ, которую еще И. А. Тиме в своих работах назвал плоскостью скалывания. Эта плоскость при резании Пластичных металлов имеет примерно постоянное расположение к направлению резания и составляет с ним угол Л-145- 150е, Этот угол называют углом скалываний.
В более поздних исследованиях Я. Г, Усачева было установлено, что направление сдвига зерен металла происходит по плоскостям сдвига АС, угол плоскости скалывания для более плас- до 30°, а для менее пластичных приближается к нулю.
Схема резания позволяет геометрически установить наиболее целесообразную величину переднего угла резцов для обработки пластичных металлов из следующих рассуждений. Каждый элемент стружки, продвигаясь вдоль плоскости скалывания, одновременно перемещается перпендикулярно к этой плоскости вверх. Следовательно, для уменьшения деформаций элементов стружки И трения их о переднюю поверхность резца последняя не должна препятствовать такому движению. Для этого переднюю поверхность резца целесообразно расположить перпендикулярно к плоскости скалывания. В этом случае углы у и 0] становятся равными между собой как углы с взаимно перпендикулярными сторонами. Используя значение угла скалывания Д, можно сделать заключение, что рациональная величина переднего угла должна составлять 30-35°.^ Практически для повышения прочности режущего клииа передние углы резцов выполняются значительно меньшими (примерно в 1,5- 2 раза) в зависимости от механических свойств обрабатываемого материала и материала инструмента.
Физические явления, возникающие
В процессе резания
В процессе резания происходит деформирование и разрушение материала заготовки, сопровождающееся рядом физико-химических явлений :
1) в деформированном объеме заготовки возникает сложнонапряженное состояние материала, имеют место упругие и пластические деформации, происходит хрупкое и вязкое разрушение. На обработанной поверхности образуется шероховатость, а в поверхностном слое заготовки происходит изменение текстуры, структуры и всех теплофизических и электрофизических свойств;
2) в зоне резания возникает неоднородное температурное
поле. Имеет место сложная схема распространения тепловых потоков и создаются особые условия теплопередачи между инструментом, стружкой и поверхностным слоем детали;
3) трение в области контакта инструмента и материала заготовки происходит при больших давлениях и температурах. Иногда возникает особый вид трения неокисленных поверхностей – чистое трение;
4) при определенных условиях резания на передней поверхности клина возникает слоистое металлическое образование, называемое наростом. Нарост изменяет геометрию клина и влияет на условия обработки;
5) происходят различные виды разрушения (износа) клина, возникающие под действием истирания, царапания, адгезии, диффузии и других явлений;
6) применение СОЖ сопровождается физико-химическими явлениями, возникающими при соприкосновении смазочно-охлаждающих веществ с нагретыми поверхностями инструмента и заготовки;
7) в системе станок – приспособление – инструмент – деталь (СПИД) могут возникать вынужденные колебания и автоколебания, ухудшающие процесс резания.
Стружкообразование
При обтекании режущего лезвия инструмента часть деформированного материала перемещается по его передней поверхности, превращаясь в стружку, а другая часть, находящаяся ниже линии среза, движется по его задней поверхности и образует поверхностный слой детали.
Стружкообразование и формирование поверхностного слоя детали являются единым процессом деформирования и разрушения материала при резании.
Типы стружек
В зависимости от условий резания заготовок образуются различные виды стружки. Под условиями резания материалов следует понимать: режим резания, схему резания, геометрию режущего инструмента, свойства инструментального и обрабатываемого материалов и смазывающе-охлаждающее технологическое средство (СОТС).
Впервые классификацию стружек дал в 1870 г. русский ученый И.А. Тиме в своей монографии «Сопротивление материалов и дерева резанию». Все возникающие при резании стружки можно разделить на четыре типа: сливную, элементную суставчатую, элементную скалывания и надлома.
Сливная стружка.
Сливная стружка имеет вид непрерывной ленты, у которой на верхней и боковых сторонах четко выражены следы пластической деформации в виде мелких заостренных выступов (рис. 14). Обработанная поверхность заготовки при образовании стружки данного типа имеет гладкий и блестящий вид. Сливная стружка образуется при резании вязких и пластичных материалов с большими скоростями резания 
, средними и малыми 
подачами при больших положительных передних углах 
инструмента.
Стружка элементная суставчатая.
Элементная суставчатая стружка имеет вид отдельных, четко выраженных элементов, прочно связанных друг с другом (рис. 15). Обработанная поверхность заготовки при образовании такой стружки содержит небольшое количество надрывов. Элементная суставчатая стружка образуется при обработке пластичных материалов с большими 
и средними скоростями резания, средними подачами и с большими и средними 
передними углами.
Стружка элементная скалывания. Стружка имеет вид отдельных, относительно правильной формы элементов, несвязанных
друг с другом (рис. 16). После формообразования обработанная поверхность заготовки получается шероховатой с надрывами. Этот вид стружки образуется при обработке материалов средней пластичности при средних и низких 
скоростях резания, средних и больших 
подачах и малых передних углах 
.