Напряженное состояние при образовании стружки скалывания Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ТОМСКОГО ОРДЕНА

Том 139

ИЗВЕСТИЯ

ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

1965

НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРИ ОБРАЗОВАНИЙ СТРУЖКИ СКАЛЫВАНИЯ

М. Г. ГОЛЬДШМИДТ, г. Д. ДЕЛЬ, Г. Л. КУФАРЕВ (Представлена научным семинаром кафедры станков и резания металлов)

Одной из основных задач в изучении процесса стружкообразования является исследование напряженного состояния в зоне резания. В связи с очень малыми размерами пластической области и значительным градиентом изменения напряжений ни одним из экспериментальных методов не было получено решения этой задачи. В лаборатории резания металлов ТПИ проверена возможность применения метода исследования пластической деформации измерением твердости [1, 2} для изучения процесса резания и разработана методика определения напряженного состояния при образовании стружки скалывания.

Ниже изложены результаты исследования напряжений в процессе образования стружки скалывания и влияния толщины среза на напряженное состояние. Исследование выполнено при свободном резании на микроскоростях (V = 23,5 мм/мин). Процесс резания осуществлялся поперечной подачей стола фрезерного станка 6Н13П, на станине которого был укреплен динамометр конструкции ВНИИ. Величина вертикальной подачи контролировалась по индикатору. Составляющие силы резания записывались с помощью 4-шлейфового осциллографа ИИТ, корни стружки фиксировались остановкой стола, причем момент остановки отмечался на осциллограмме отключением одного из 2-х шлейфов, соединенных с отметчиком времени. В связи со спецификой изучаемого процесса и экспериментального метода к свойствам исследуемых металлов предъявляются следующие требования: плавное изменение твердости, отсутствие микротрещин, периодичность процесса резания. Контроль периодичности осуществлялся сопоставлением осциллограмм составляющих'силы резания, соответствующих образованию ряда последующих элементов.

Микротвердость измерялась на приборе ПМТ-3 под нагрузкой 100 г. Поверхность, на которой производились измерения, тщательно полировалась и протравливалась. Снятие наклепанного слоя проверялось путем сравнения результатов измерения твердости по Виккерсу и микротвердости. Измерения твердости производились в средних по ширине образца сечениях, где имеет место плоская деформация. В случае плоской деформации метод измерения твердости позволяет определить напряженное состояние.

Тарировсчные графики, связывающие твердость Ну с интенсивностью касательных напряжений /с, были получены путем испытания цилиндрических образцов из исследуемых материалов на осевое сжатие со смазкой. Интенсивность касательных напряжений определялась по ■формуле

и 4 Р

—— ?

у ЗъО2

где Р — деформирующее усилие, О — диаметр сжатого образца. Микротвердость измерялась в меридианальном сечении сжатых образцов. По распределению твердости в корне стружки с помощью тарировочно-го графика определялось распределение к. Расшифровка выполнялась по методике, изложенной в статье [2]. Граничные условия при этом были приняты следующими: граница АВ (рис. 1) свободна от нагрузки.

Рис. 1. Сетк;а линий скольжения в корне стружки.

Трением в точке В пренебрегали. В области ABC решалась задача Ко-ши, в области CBD — начальная характеристическая задача. Вследствие недостаточности граничных условий напряжения в зоне OBD остались неизвестными. Интегралы Аа и А-? определялись в узлах сетки линий скольжения по формулам:

Л — л ^а ^ь 1

AnW—Ла5----*- ¿5-16',

2«t6' la-b

A^iq' — A^— ^ d ¿4-16'.

2«16 lc-d

По этим интегралам определялось гидростатическое давление s и угол 0 наклона касательной к линии скольжения а:

а=-к(А*+А?), е=- (А*-At).

2

В отдельных случаях положение точек уточнялось по средним углам

-(0&+016') и -(04 + 016'). Зная 0 в точках второго ряда, можно 2i 2

получить третий ряд точек и т. д. Таким образом, были построены сетки линий скольжения для каждого из исследованных случаев. Напряжения вдоль линий будущего скола элемента определялись по следующим формулам:

3v=a —¿Sin2e'; + Asin20/; T_vy= Acos 29',

где 6' — угол между касательной к линии скольжения а и линией скола

0'=©+^—180е.

Исследование напряженного состояния по стадиям образования элемента проведено на стали Х18Н9Т твердостью Нv — 190—200. Резание осуществлялось с подачей а = 0,15 мм резцом с передним углом 7 — + 8°. Ширина образца составляла 3 мм. Вследствие большой упрочняемости стали Х18Н9Т и значительной глубины пластической области, достигающей величины 3—4-х толщин среза, оказалось необходимой тщательная подготовка обрабатываемой поверхности. Эта подготовка осуществлялась путем снятия со смазкой четыреххлористым углеродом тонких стружек резцом с 30°. Элемент при принятых условиях резания образуется 12—13 сек. Зафиксированные корни стружки соответствуют 0,5; 1,9; 2,8; 4,1; 6,2 сек. образования элемента. Сколу элемента стружки предшествует возникновение и развитие определяющей трещины, поэтому не представилось возможности изучить напряженное состояние непосредственно перед отделением элемента, так как, наличие существенной трещины, вероятно, исключает значительный при-резцовый слой стружки из области, находящейся в состоянии пластического течения.

На рис. 2 приведено распределение к на различных стадиях образования элемента и соответствующие эпюры напряжений. Из рисунка видно, что по мере увеличения размеров формирующегося элемента область пластической деформации постоянно увеличивается. Не остается постоянным и положение зон повышенного наклепа. Специальные эксперименты показали, что после возникновения трещины прекращается как увеличение пластически деформированной области, так и нарастание наклепа в основном объеме элемента. Явления, сопутствующие развитию трещины и разрушению, сопровождаются существенным повышением твердости в зонах, примыкающих к поверхности разрушения. Анализ микрофотографий корней стружки и отделившихся элементов показал, что скол происходит под углом pi = 8° вдоль линии, близкой в рассматриваемом сечении к прямой.

Распределение напряжений вдоль линий, параллельных линии скола, отличается существенной неравномерностью и, несмотря на изменение границы элемента, имеет для всех стадий его образования качественно идентичный характер. Наибольшая неравномерность характерна для напряжений оу , которые во всех исследованных случаях меняют знак. Распределение напряжений х ху и ах более равномерно.

Контур области, в которой твердость равна исходной, является упруго-пластической границей. Понятно, что по мере приближении к этому контуру, изосколяры по своему очертанию все более приближаются к границе пластической области. Сопоставление картины изо-скляр с сеткой линий скольжения показало, что по мере приближения к границе линии скольжения семейства р практически сливаются с изо-клярами. Это показывает, что граница пластической области при образовании стружки скалывания является линией скольжения.

Большой интерес представляет изучение напряженного состояния при изменении толщина среза, так как известно, что последняя в большой степени определяет вид образующейся стружки. Эта часть работы 240

мм

гЫ-

¡2 09

05 0,5 1

■яо ■80

-60

-40

г го

1 1с_1

[

УП

А У у

(2 0.9 Об/Лоз щ -

1

мм

с

Ч-т о

/ 1С

У У а Ч/

/

/ г о.9 \ о.б А аз

о

-50

•¿.о -¡00

-80

■60

-40 ?

♦'О +30

юо 80 во

-М) •20

Рис. 2. Напряженное состояние в процессе образования элемента стружки при резании стали Х18Н9Т (у=23,5 мм/мин, а=0,15 мм).

16. Заказ 3076.

241

проведена при резании латуни ЛС59-1 с переменной толщиной среза (а = 0,4; 0,6; 0,8 мм) резцом с передним углом у = + 29°. При толщине среза аг^0,2 мм в этих условиях образуется сливная стружка. Уве-

Xец/мь*

л——л.

№ *

о-О-- <Сху

+—^

N

^ ЛТЛ7 из с ь ол А , и

/

а = 0.4 тптп у

г £

'Ш

Рис. 3. Эпюры напряжений в плоскости скола в зависимости от толщины среза (резание латуни ЛС59-1, 5 мм/мин, в=2,8 мм).

личение толщины среза приводит к образованию стружки скалывания. Корни стружки фиксировались в момент, предшествующий образованию трещины. При резании латуни ЛС59-1 толщина среза не влияет на угол скола элемента, поверхность скола близка к плоскости, и деформация по всей ширине образца может быть принята за плоскую [3]. 242

На рис. 3 и 4 показаны эпюры напряжений, действующих в плоскости скола элемента, и распределение гидростатического давления (взаимное положение инструмента и плоскости скола сохранено). Касательные напряжения здесь распределены относительно равномерно. Это позволило экстраполировать значение среднего касательного напряжения до вершины резца и сравнить его со средним касательным напряжением, рассчитанным по данным динамометрирования силы резания.

*

\ ■—<

1. й—«Дд / /

и и о 1 8 ТЛй 6 / \й 4 / Й / 2

ЛС59-1 V ж - с « ОМ тж> о - а » 0,6 ят Л - а в 0.8 югв « /

Рис. 4. Гидростатическое давление в плоскости скола элемента стружки.

При этом силы на задней грани были выделены методом А. М. Розен-берга, площадь действия силы Р т измерена непосредственно на корне стружки. Результаты проверки приведены в таблице.

Таблица 1

Толщина среза, мм Среднее касательное напряжение, кг/мм2 Погрешность, %

расчетное по диаметру

0,4 25 23,9 4,4

0,6 27 27,6 2,2

0,8 26,6 26 2,3

Сравнение показало, что разница во всех трех случаях не превысила 5%, что свидетельствует о большой точности экспериментального определения напряженного состояния по распределению твердости.

Выводы

1. Метод исследования пластической деформации измерением твердости приемлем для определения напряженного состояния в зоне резания.

2. Распределение нормальных напряжений вдоль плоскости скола элемента отличается существенной неравномерностью. Касательные напряжения распределены более равномерно. Степень неравномерности зависит от свойств обрабатываемого материала. В процессе образования элемента эпюры напряжений являются качественно идентичными.

3. Изменение толщины среза несущественно влияет на напряженное состояние в зоне резания.

4. Граница пластической области при образовании стружки скалывания является линией скольжения.

16*

243

ЛИТЕРАТУРА

1. Г. А. С м и р н о в-А л я е в. Сопротивление материалов пластическому деформированию, Машгиз, 1962.

2. Г. Д. Дел ь. Исследование пластической деформации измерением твердости* Известия ТПИ, т. 138, 1965.

3. Резание металлов и инструмент. Под ред. А. М. Розенберга, Машиностроение. 1964.