СТРУЖКОУТВОРЕННЯ
Геометрія робочої частини різця під час різання характеризує положення поверхонь робочої частини відносно координатних площин кінематичної системи координат. Наприклад, під час відрізки деталі геометрія леза в головній січній площині буде характеризуватись кінематичними переднім та заднім кутами γк і αк (рис. 2.3):
Рисунок 2.3 – Вплив подачі на кути в головній січній площині
при відрізанні заготовки
γк = γс + h ; αк = αс – h ; tg h = s/πD ; h = arctg (s/πD).
При прорізані канавки або відрізанні дійсні передні і задні кути також залежать від похибки установки різця відносно осі заготовки (рис. 2.4):
γу = γс – ( + )ω ; αу = αс + ( – )ω,
де перший знак використовується, якщо вершина різця розташована нижче осі заготовки, знак в дужках – якщо вище.
Кут ω знаходиться за формулою
ω = arcsin (2h/D).
Рисунок 2.4 – Вплив похибки установки різця відносно осі заготовки
на кути в головній січній площині
Якщо вісь різця не перпендикулярна до осі заготовки, то дійсні головний і допоміжний кути в плані будуть відрізнятись від однойменних статичних кутів на кут D (рис. 2.5).
Рисунок 2.5 – Вплив неперпендикулярності осі різця до осі заготовки
на кути в плані
φу = φс – D; φ1у = φ1с + D.
При викладенні учбового матеріалу в подальшому будуть розглядатися тільки кути в статиці, тому, з метою спрощення записів, індекси “с” будуть вилучені.
2.4 Геометрія зрізу при точінні
Зріз – це шар матеріалу, який відділяється лезом за один оберт заготовки без урахування деформації (рис. 2.6).
Рисунок 2.6 – Поперечний переріз зрізу при точінні
При перетинанні зрізу основною площиною будемо мати поперечний переріз зрізу, при перетинанні площиною, яка перпендикулярна вісі заготовки, – поздовжній переріз зрізу.
Поперечний переріз зрізу характеризується товщиною і шириною, які більш точно в порівнянні з глибиною різання і подачею, характеризують фізичну сторону процесу різання.
Товщина зрізу a – це довжина нормалі до поверхні різання, проведеної через задану точку різальної кромки, яка обмежена перерізом зрізуваного шару.
Ширина зрізу b – це довжина сторони перерізу зрізуваного шару, утвореної поверхнею різання.
Товщина і ширина зрізу пов’язані з елементами режиму різання залежностями (при γ = 0, α = 0)
a = s·sinφ; b = t/ sinφ.
В залежності від співвідношення s і t поперечні зрізи класифікуються таким чином:
· прямий зріз – s < t;
· квадратний (рівнобічний) зріз – s = t;
· зворотній зріз – s > t.
Переріз зрізуваного шару характеризується площею, яка при різанні може бути: номінальною, дійсною, залишковою.
Номінальна площа – це площа перерізу зрізуваного шару, що утворюється під час вільного різання або при φ1 = 0. Вона є площею паралелограма MKLP (див. рис. 2.6) і знаходиться за формулою
f = ab = ts;
Дійсна площа – це площа, що утворюється при невільному різанні без урахування площі гребінців, які залишились на обробленій поверхні.
Залишкова площа – це площа гребінців, які залишились на обробленій поверхні.
Знайдемо дійсну і залишкову площі, скориставшись рис. 2.7.
Рисунок 2.7 – Розрахункова схема для визначення залишкової площі зрізу
fд = ts = пл. ACD;
пл.ACD = sh/2;
AB = h·ctgφ1;
BC = h·ctgφ;
AB + BC = s = h(ctgφ + ctgφ1);
h = s/(ctgφ + ctgφ1).
Залишкова площа трикутника ACD = s2/2(ctgφ + ctgφ1).
Дійсна площа fд = ts – s2/2(ctgφ + ctgφ1).
В поздовжньому перерізі зріз характеризується довжиною зрізу, яка без урахування подачі наближено дорівнює довжині кола, яке описує вершина різця:
l = πD.
2.5 Основні поняття про систему різання
Стружкоутворення, зношування поверхонь леза і утворення нової поверхні на заготовці здійснюються одночасно і дуже тісно взаємозв’язані. Вони в сукупності складають деяку цілісність, яка характеризується пов’язаністю частин, що її складають, і може бути представлена в вигляді замкнутого кола, в якому всі елементи обумовлюють один одного. Ця цілісність називається системою різання (рис. 2.8). Система різання є підсистемою замкнутої динамічної системи верстата. Остання включає в себе пружну систему “верстат – пристрій – інструмент – деталь” (ВПІД) та процеси, що протікають в рухомих сполученнях елементів пружної системи (різання, тертя, робочі процеси в двигунах та ін.). Система різання є відкритою, вона безперервно обмінюється матерією і енергією з іншими елементами замкнутої динамічної системи верстата.
Рисунок 2.8 – Система різання
Функціонування системи різання обумовлене факторами стану (первинними параметрами) в які входять матеріал та його фізико-механічні властивості, форма і розміри обробленої поверхні, якість і точність оброблення, характеристики верстата, пристрою, інструмента, схеми оброблення, режимів оброблення та технологічного середовища і вторинними параметрами, які визначають результати виконання механічного оброблення. До них відносяться експлуатаційні характеристики деталі, в тому числі точність оброблення та якість поверхні, стійкість і міцність інструменту, продуктивність і економічність оброблення.
Характер взаємозв’язків між окремими елементами системи різання характеризується наявністю прямих і зворотних дій. Так, в ланцюгах “Стружкоутворення – Формування обробленої поверхні”, “Зношування різального інструменту – Формування обробленої поверхні” та “Стружкоутворення – Зношування різального інструменту” існують як прямі зв’язки, так зворотні, тобто елементи системи різання між собою тісно пов’язані і взаємно впливають один на другий.
СТРУЖКОУТВОРЕННЯ
5.1 Механіка утворення зливної стружки при одній умовній площині зсуву
Розглянемо схему перетворення зрізуваного шару в стружку при одній умовній площині зсуву (рис. 5.1).
Рисунок 5.1 – Схема перетворення зрізуваного шару в зливну стружку
В зрізуваному шарі товщиною a виділимо паралелограм mnpq з малою товщиною ∆x, який прилягає до умовної площини зсуву mn. q – кут зсуву. Нехай різальний інструмент із положення I переміститься в положення II, пройшовши відстань ∆L. В результаті цього точка q переміститься в положення q1, а точка p в положення p1. Таким чином паралелограм mnpq, зміщуючись вздовж основи mn на величину ∆s, перетворюється в паралелограм mnp1q1, який вже належить не зрізуваному шару, а стружці. При наступному переміщенні інструмента на ту ж відстань процес повторюється. Таким чином, перетворення зрізуваного шару в зливну стружку відбувається внаслідок послідовних і безперервних зсувів дуже тонких шарів матеріалу по умовній площині зсуву без порушення зв’язку між зсунутими шарами, тобто без порушення суцільності матеріалу стружки.
Що ж викликає зсув шару вздовж умовної площини зсуву і коли цей зсув починається?
Передня поверхня інструменту діє на зрізуваний шар з нормальною силою N; нормальна сила утворює силу тертя F = μN, де μ – коефіцієнт тертя між стружкою і поверхнею інструменту. Складаючи сили N і F, будемо мати силу стружкоутворення R, яка нахилена до поверхні різання під кутом дії ω.
Розкладемо силу R на дві: силу PN, яка перпендикулярна до умовної площини зсуву, і силу Pτ, що діє вздовж площини зсуву. Сила PN стискує шар товщиною ∆x, що зсувається, а сила Pτ зсуває його.
Як відмічалося раніше, деформація зсуву починається в тому випадку, коли напруження зсуву стане дорівнювати границі текучості на зсув. При прямокутному різанні напруження зсуву на умовній площині зсуву
,
де b – ширина шару, що зрізається.
Оскільки , то будемо мати
,
але сила зсуву
.
Тоді
.
Аналогічно можна знайти нормальні напруження
.
Процес утворення стружки починається в тому випадку, коли τ ≥ τs, де τs – границя текучості оброблюваного матеріалу на зсув.
Розглянемо схему напруженого стану малого об’єму матеріалу, розташованого на умовній площині зсуву та епюри зміни дотичних і нормальних напружень вдовж названої площини (рис. 5.2).
Рисунок 5.2 – Схема напруженого стану на умовній площині зсуву
Незалежно від роду і властивостей оброблюваного матеріалу, величини переднього кута інструменту, товщини зрізуваного шару, дотичні напруження вздовж умовної площини зсуву мають постійну величину.
При великих передніх кутах інструменту і малих коефіцієнтах тертя на передній поверхні нормальні напруження (див. рис. 5.2, а) зменшуються по мірі приближення до різальної кромки і в деякій точці умовної площини зсуву можуть змінити свій знак на протилежний.
По мірі зменшення переднього кута і збільшення коефіцієнту тертя названа епюра поступово переходить до виду епюри, показаної на рис. 5.2, б, на якій нормальні напруження, зберігаючи постійність знаку, збільшуються при приближенні до різальної кромки.
5.2.1 Відносний зсув. Укорочення стружки
Мірою зсуву є відносний зсув. Знайдемо його при різанні, скориставшись рис. 3.10: ;
Δs = mp + qp.
Виразимо mp і qp через товщину Δx шару, що зсувається:
mp = Δx ctg θ;
qp = Δx ctg δ΄,
але
θ + δ΄ – γ = 90º;
тоді
δ΄ = 90º – (θ – γ),
а
qp = Δx ctg[90º – (θ – γ)] = Δx tg(θ – γ).
В такому разі
Δs = Δx[сtg θ + tg(θ – γ)];
сtg θ + tg(θ – γ). (5.1)
Із формули (5.1) виходить, що для знаходження відносного зсуву потрібно знати величину кута зсуву θ.
При переміщенні інструменту на величину ΔL довжина стружки, яка утвориться при цьому, буде дорівнювати ΔLс. Із трикутника mnp маємо
;
.
Відношення ΔL/ ΔLс = KL називається коефіцієнтом укорочення стружки:
.
Рисунок 5.3 – Схема для визначення відносного зсуву
Виразимо кут зсуву θ через коефіцієнт укорочення стружки
.
Звідси отримаємо
, (5.2)
або
.
Щоб знайти безпосередній зв’язок між відносним зсувом і коефіцієнтом укорочення стружки, необхідно підставити (5.2) в (5.1). Після необхідних перетворень і спрощень будемо мати
Якщо відома величина відносного зсуву, тоді можна знайти інтенсивність деформації
.
5.2.2 Текстура стружки
Умовна площина зсуву поділяє області недеформованого матеріалу, який належить зрізуваному шару, та вже повністю деформованого матеріалу стружки. Внаслідок пластичного деформування в стружці утворюється характерна текстура в вигляді смуг або стрічок, які розташовані під деяким кутом до умовної площини зсуву – кутом текстури (рис. 5.4).
Рисунок 5.4 – Текстура стружки
Утворення текстури деформації можна представити таким чином (рис. 5.5).
Рисунок 5.5 – Схема перетворення сфероїдального зерна в еліпсоїдне
Сфероїдальне зерно впишемо в куб зі стороною, яка дорівнює товщині шару, що зсувається. Тоді в перерізі площиною, яка перпендикулярна до кромки леза, будемо мати коло з радіусом Δx/2. Внаслідок деформації простого зсуву верхня площина шару, що зсувається, переміститься відносно нижньої на величину абсолютного зсуву Δs. Квадрат mnpq, в який вписане коло, перетвориться в паралелограм mnp1q1, а саме коло перетвориться в еліпс.
На підставі формул простого зсуву
,
де ε – відносний зсув при перетворенні зрізуваного шару в стружку.
Ланцюжки еліпсів в напрямку їх більших осей і є лініями текстури деформації стружки.
Кут текстури залежить від ступеню деформації зрізуваного шару. Чим більше ступінь деформації, який визначається відносним зсувом, тим меншим є кут текстури, і навпаки.
В більшій частині стружки лінії текстури паралельна одна одній. Але в шарі стружки, який прилягає до передньої поверхні леза, лінії текстури втрачають свою правильну орієнтацію, загинаючись в бік, протилежний рухові стружки. Це явище пов’язане з силою тертя на передній поверхні леза. Чим більша сила тертя, тим сильніше гальмується шар стружки, який контактує з передньою поверхнею леза, і тим більше скривлення ліній текстури та товщина шару Δ1 (див. рис. 3.11). Скривлення ліній текстури – наслідок повторної контактної деформації при проходженні деформованих зерен через зону вторинної деформації.
.png)