CC BY
26
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 85 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА * 1957 г.
СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ РАБОТЫ РЕЗАНИЯ ПРИ СКОРОСТНОЙ ОБРАБОТКЕ СТАЛЕЙ
А. М. РОЗЕНБЕРГ Общие соображения
Работа, затрачиваемая на процесс резания металлов, расходуется на деформацию стружки и обработанной поверхности, а также на преодоление сил трения на передней и задних гранях инструмента. Кроме этого совершенно незаметная часть работы расходуется на образование новой поверхности. Это часть работы связана с поверхностной энергией обрабатываемого металла, составляет исчезающе малую часть общей работы резания и может не приниматься во внимание. Деформации в процессе резания могут быть упругими, пластическими и хрупкими, причем под хрупкими деформациями мы понимаем такие, при которых образуется стружка, снимаемая с хрупкого металла. В этом случае, по существу говоря, мы имеем дело с упругими и незначительными пластическими деформациями, приводящими к разрушению металла превращаемого в стружку.
Всю работу резания можно разделить на работу деформации в зоне сдвига стружки Лт, работу деформации обработанной поверхности Л/, работу трения на передней грани Ар и работу трения на задней грани Ап. В работы деформации входят как работы упругой, так и пластической деформации, причем выделять в отдельное слагаемое работу упругой деформации нет смысла, с одной стороны, ввиду трудности ее учета, с другой стороны, ввиду ее малости в сравнении с работой пластической деформации, особенно при резании пластичных металлов. Деформация обработанной поверхности (поверхности среза) отчасти является результатом волны пластической деформации, опережающей режущую кромку, инструмента, распространяющейся от плоскости сдвига вперед и несколько вглубь в область обработанной поверхности, отчасти результатом работы сил трения на задней грани инструмента в процессе взаимодействия задней грани с поверхностью среза. Эта последняя часть совершается работой трения на задней грани. Поэтому целесообразно работу деформации обработанной поверхности (точнее поверхности среза) также отдельно не учитывать, часть ее считать включенной в работу деформации стружки, часть же считать выраженной работой сил на задней грани инструмента.
Таким образом можно окончательно считать, что вся работа резания А суммируется из следующих существенных и заметных по величине частей: работы деформации производимой в зоне сдвига стружки, работы трения на передней грани А?, и работы трения на задней грани то есть
А=А,±кР + АР1. (1)
Следует отметить, что работа трения на передней грани инструмента, расходуемая на преодоление сил трения между стружкой и передней ■гранью, также осуществляет деформацию стружки в зоне прирезцового
•слоя и с этой точки зрения ее можно было бы включить в работу деформации стружки, однако лучше ее оставить самостоятельной частью, так как деформация ею осуществляемая в прирезцовом слое стружки является вторичной, накладывающейся на первичную деформацию, полученную стружкой в зоне сдвига. Таким образом работа деформации Аг расходуется на деформацию стружки в зоне сдвига и результатом этой работы является выделение тепла деформации и нагрев металла в зоне сдвига. Работа трения на передней грани Ар расходуется на вторичную деформацию прирезцового слоя и результатом ее является дополнительный нагрев прирезцового слоя стружки, что в совокупности с нагревом стружки в зоне сдвига создает ту или иную температуру на передней грани инструмента. Работа трения на задней грани Ар1 дает выделение тепла в зоне контакта задней грани с поверхностью среза и в совокупности с прогревом режущей части инструмента со стороны его передней грани создает температуру на задних гранях.
Износ инструмента по передней и задним граням несомненно связан с работами трения Ар и Ар1 , совершаемыми на этих гранях силами трения и Т7! и поэтому работы трения имеют самостоятельный интерес в приложении к вопросам стойкости и износа инструмента.
Имеющиеся исследования
Резделение работы резания на составляющие ее части представляет существенный интерес. На это указывает то обстоятельство, что уже в работах Брикса [1], а затем Рудника [2] сила резания, а значит и работа резания, представляется состоящей из двух разнородных частей, одна из которых пропорциональна поперечному сечению срезаемого слоя, другая пропорциональна полупериметру поперечного сечения среза.
Впервые примерные процентные соотношения между отдельными составляющими работы резания предложил проф. Глебов [3]. По его данным эти соотношения являются следующими:
Обрабатываемый металл
Составные части работы резания чугун сталь
Работа срезания ......... 25 -45 Н 6- —25%
Работа деформации....... 40 -65 Н 65- -85%
Работа трения.......... 10 — 16* 10- -15%
Это разделение было предложено Глебовым на основе лишь гипотетических предположений, так как в его распоряжении не было необходимых материалов для более или менее точного расчета таких существенных элементов как сила трения и работа трения. Мы уже в свое время указывали, что Глебов явно переоценил роль работы срезания, которая должна быть исчезающе малой [4].
Первую схему, показывающую изменение отдельных составляющих работы резания при изменении скорости резания дал проф. Касьян [5]. Эта схема приводится в ряде работ и представлена нами на фиг. 1.
Из схемы пррф. Касьяна следует, что при резании стали работа деформации может изменяться в очень широких пределах от 3 до 84%, работа трения на передней и задней гранях меняется от 16 до 97%, при-
чем работа трения на задней грани сама по себе может составлять от 8 до 90%. Доля работы трения на передней грани сравнительно невелика и составляет от 8 до 30% общей работы резания.
Как мы видим, схема Касьяна количественно несравнима с данными Глебова.
%
100 90 80 70 60 50 40 30
20 о
о го 4о 60 во юо гго Скорость резания V т/тин
Фиг. 1
Расчет отдельных составляющих работы резания для сталей на основании экспериментальных данных проведен Клушиным [6], причем в пределах изменения скорости резания от 3 до 143 м/мин им получены следующие изменения:
Работа деформации 47—64%.
Работа трения на передней грани 31 —37°/о-
Работа трения на задней грани 3—17°/0.
Здесь даны крайние пределы изменения для двух сталей, поэтому сумма» может не составлять 100%.
Данные Клушина совершенно несравнимы с данными Касьяна и очень значительно отличаются от величин предложенных Глебовым в отношении работы трения, которая Глебовым оценивается в 10—15%, Клушиным же в 34—54%.
Заслуживающие внимание данные о работе резания имеются у Зорева [7]. Зорев рассчитал на основании экспериментальных материалов удельные работы деформации и удельные работы трения на передней грани резца при резании стали 40 и поставил их в зависимость от температуры на передней грани. Удельная работа является частным от деления общей работы на объем превращаемого в стружку металла. Поэтому при постоянном поперечном сечении срезаемого слоя соотношения общих и удельных работ одинаковы и безразлично, сравнивать общие или удельные работы. На фиг. 2 мы приводим график Зорева, представляющий изменение удельной работы трения на передней грани, а на фиг. 3 график, представляющий изменение удельной работы деформации.
Работа трения на задней грани Зоревым не представлена, поэтому по данным Зорева можно судить о двух составляющих Ат и Ар. Фиг. 2 и 3 показывают, что, если принять сумму Ах -ь-Аг за 100%, то соотношения этих отдельных составляющих к их сумме могут быть следующими:
Температура вс Работа деформации в % Работа трения в И
300 66 34
650 79,4 20,6
900 74 / 26
60
50 45 40
30 ?-5
+S=0J95mS=ü49
xS=0¿85oS=0?d ZOO 300 ' 400 500 ¿00
WoFc
Temnepamypa
Фиг. 2
% 760
К
100
i 1 -
I \
>
200 300, 400 500 600 ?Q0 800 t С
¿Temxepamypa
Фиг. з ,
Если предположить, что работа трения на задней грани составит приблизительно 10% от общей работы, от соотношения работы деформации и работы трения к общей работе резания будут немного ниже. Таким образом по данным Зорева в тех случаях, когда работа трения на задней грани относительно невелика (это будет иметь место при толстых срезах), доля работы деформации в общей работе резания может быть оценена в ■ 60—66%, доля работы трения на передней грани в 30— 24%. Эти величины, как мы видим, примерно соответствуют тому, что получил Клушин и совершенно несравнимы со схемой Касьяна.
13. Изв. ТПИ, т. 85.
По Зореву с повышением температуры на передней грани, т. е. с повышением скорости резания, доля работы деформации изменяется незначительно и всегда остается большей, чем работы трения на передней грани. То же самое и по данным Клушина. По схеме же Касьяна доля работы деформации с изменением скорости резания может изменяться более, чем в 20 раз, причем она может быть как в несколько раз больше, так и в несколько раз меньше работы трения на передней грани инструмента.
Таким образом приведенные краткие материалы показывают, что в этом вопросе имеются явные противоречия. Мы имеем большой экспериментальный материал, собранный в исследовательских работах кафедры станков и резания металлов, который дает нам возможность не только установить действительные соотношения отдельных составляющих работы резания, но и сделать некоторые обобщенные выводы. Все наши выводы будут относиться при резании сталей к той области средних и высоких скоростей резания, в которой нарост на инструменте отсутствует.
Исходные зависимости и обозначения
Как общую работу резания А, так и составные ее части А-., Ар и А можно выразить аналитически. Если определять минутную работу, то -будут получены следующие выражения
А=Р2.У, (2)
АР=Р.УР (3)
Ар=Р1шУ, ' (4)
А, = Р, . . (5)
Здесь (фиг. 4 и 5): V —скорость резания,
Ур — скорость перемещения стружки по передней грани инструмента, У~,— скорость перемещения в плоскости сдвига стружки, С — усадка стружки,
Рх — главная составляющая сила резания, Т7— сила трения на передней грани,
Т7! — сила трения на задней грани, действует в направлении скорости резания V,
Рт — сила в плоскости сдвига, осуществляющая сдвиг металла при образовании стружки.
Удобно все дальнейшие выводы и рассуждения осуществлять пользуясь удельными работами., т. е. работами, отнесенными к единице объема металла превращаемого в стружку. Назовем: удельная работа резания
удельная работа деформации в зоне сдвига стружки А^ , удельная работа трения на передней грани Атр, удельная работа трения на задней грани Тогда:
а А А Рг Рг аоу аЬ
АР _ А? _ Р _ Ь Атр = —-— -- —-— = —— = ——. (7)
Аг Т7
abv аЬС
м _ А,- _ _ Л _ Л
abv аЪ st
А, =2 - А К Рг К
(9)
abv $11) аоъ вЬь
Здесь а,Ь—толщина и ширина среза,
—подача и глубина резания. Кроме этого удельную работу резания Ат можно представить состоящей из двух частей,—удельной работы, совершаемой передней гранью инструмента Атп и удельной работы на задней грани При этом
^■ц/ Аццл " Ауц з,
А и,п — Ат1 Атр у
Л = = Рг = Рг abv аЪ вЬ
А^уз — ^адЛ'
Здесь Рх — часть силы приложенная на передней грани
Удельные работы на передней и задней гранях инструмента имеют различные закономерности изменения при изменении параметров резания.
Это вполне естественно, так как первая из них связана с процессом деформации стружки и поэтому должна зависеть от усадки стружки, степени деформации ее, переднего угла инструмента, трения на передней грани, износа передней грани. Работа же на задней грани в явной форме не связана с процесами, протекающими на передней грани инструмента. Сила Т7!, определяющая работу на задней грани, не зависит в заметной степени от переднего угла инструмента, от степени деформации стружки, от толщины срезаемого слоя и в значительной степени связана с величиной затупления по задней грани. Выясним, прежде всего, относительную величину удельной работы на задней грани.
Удельная работа на задней грани инструмента
Величина удельной работы на задней грани может быть рассчитана, если известна сила Сила может быть получена только экспериментально путем специальных методов определения сил на задних гранях [7,8]. Уравнение (8) показывает, что Аутг зависит от Риа>Ь. На основании ряда проведенных исследований [9,10] можно считать, что при обычных стружках, когда- ширина значительно больше толщины срезаемого слоя, сила трения на задней грани не зависит от толщины среза и переднего угла инструмента и прямопропорциональна ширине среза. Поэтому, в соответствии с уравнением (8) можно сделать заключение, что удельная работа на задней грани не будет изменяться при изменении ширины среза \Ьи будет обратнопропорциональна толщине среза.
Для очень малых толщин среза, которые могут иметь место при работе фрез, разверток, протяжек, удельная работа Лш^ может быть очень большой. При работе шлифования, когда снимаются особенно тонкие стружки, работа на задней грани режущего элемента составит основную и наибольшую часть всей работы, затрачиваемой на процесс резания. И наоборот при крупных стружках, при работе резцов, сверл, зенкеров, прогрессивных протяжек, удельная работа на задних гранях будет очень невелика и может составлять совершенно незначительную часть общей работы резания.
Силы на задней грани острого режущего элемента очень невелики; они исчисляются при резании сталеГ* обычно несколькими килограммами на 1 мм длины режущей кромки. С повышением скорости резания и температуры они обычно немного возрастают. Это иллюстрируется фиг. 6, на: которой показано изменение силы Ри при скоростном фрезеровании торцевыми фрезами сталей 10 и 40 X с подачей на зуб 0,105 мм и глубиной фрезерования (шириной среза) 3 мм. Фиг. 6 показывает, что на 1 мм длины режущей кромки приходится от 2,0 до 4 кг при фрезеровании стали 10 и от 5,0 до 6,0 кг при фрезеровании стали 40 X [11].
Воспользовавшись подобными экспериментальными материалами не представляет затруднения рассчитать удельные работы на задней грани.
На фиг. 7 нами приведен график изменения общей удельной работы: Аш и удельной работы на задней грани в зависимости от скорости;
СкоростЬ резания V тп /тан-,
Фиг. 6
резания и подачи на зуб при скоростном фрезеровании стали 10 торцевой фрезой [И].,.Этот график показывает, что с увеличением подачи на зуб как общая удельная работа, расходуемая на весь процесс резания, так и удельная работа на задней грани значительно уменьшаются.
Представляет интерес показать удельную работу на задней грани в процентах от всей удельной работы резания. Это сделано на фиг. 8, ко-торая|построена по фиг. 7, причем здесь показано изменение удельной
СкоростпЬ резания V та / тпин Фиг. 7
еЛ-.
50
£ 4 0
Со 53
с5
30
ю
работы на задней грани в процентах от общей удельной работы в зависимости от подачи на зуб для двух скоростей резания. Фиг. 8 показывает, что при очень тонких стружках удельная работа на задней грани может составлять более 50 % от общей, при толстых же стружках доля ее в общей работе становится малосущественной. Так уже при = 0,2 мм составляет 1 — 7 % от общей работы, если же и далее увеличивать толщину среза, то удельная работа на задней грани и далее будет снижаться как по абсолютной величине, так и по отношению к общей работе.
То же самое показано на фиг. 9 для случая скоростной токарной обработки стали ШХ15 [10], с тем только отличием, что здесь график построен не для постоянной скорости резания, а для режимов постоянной усадки стружки, т. е. постоянной температуры на передней грани.
Из фиг. 9 следует, что, начиная с подачи 5 = 0,15—0,2 мм/об удельная работа на задней грани становится столь незначительной в общей ра-
Фрезерование Ст. 10
\ \
^ \
0,05 0,1 0,1.
П о дач а на зуб £ г
Фиг. 8
боте резания, что ею для случая обработки стали острым режущим инструментом можно пренебрегать при расчете сил резания, мощности и работы резания.
Это нами было уже ранее экспериментально доказано для случая скоростного резания 8 различных марок углеродистых и легированных сталей [12].
Как показывают фиг. 8 и 9 при фрезеровании и токарной обработке сохраняются примерно одинаковые соотношения удельных работ на задней грани с общими удельны-ми работами резания. Это' вполне естественно, так как природа сил на задней грани во всех процессах резания должна быть одной и той же, ибо силы на задней грани являются силами упруго-пластического контакта участка задней грани, соприкасающегося с поверхностью резания.
Как показали опыты Ю. П. Зимина по стали и Ю. А. Розенберга по чугуну силы на задней грани растут примерно пропорционально твердости обрабатываемого металла. Подобным же образом будет расти и удельная работа на задней грани Ат&г^ Но соотношения ее с общей удельной работой резания будут для всех сталей примерно такими же как это показано на фиг. 8 и 9, потому что при повышении твердости обрабатываемого металла будут расти не только силы и работа на задней грани, но параллельно с этим также силы и работа на передней грани. Поэтому заключение о малосущественной доле удельной работы на задней грани в общей работе резания при снятии значительных толщин стружки может быть распространено на все стали.
С учетом этого становится очевидной ошибочность схемы Касьяна, в которой доля работы на задней грани достигает 70% от всей работы резания, тем более, что схема Касьяна построена для случая работы с подачей достаточно крупной (5 — 0.466 мм/об).
На основании того, что при обычно применяемых подачах и толщинах среза доля работы на задней грани для острого инструмента очень мала, мы в дальнейшем положении будем рассматривать отдельно работы деформации и трения на передней грани, и устанавливать их взаимные соотношения без учета работы на задней грани. Это тем более удобно, что для работы на передней грани и их соотношений мы сможем сделать некоторые обобщенные выводы и связать эти работы и с физико-механическими характеристиками обрабатываемого металла, чего мы не можем сделать в отношении работы на задней грани.
Оо 50
г о 4 0
¡3-
си 30
5? го
сз
а:
с? 10
0
СталЬ 111X15 t ж 2.ТПТП
»
0,1 0,2 0,3
Подача 5 ттп/ об'.
Фиг. 9
Ок
Удельные работы деформации и трения на передней грани
инструмента
Для удельной работы деформации в зоне сдвига стружки было приведено уравнение (9). В этом уравнении согласно фиг. 4 и 5
Рх = р С0*(щ + Р1)
С05ш
vt cost
V cos(Pi — 7)*
Pi COS(QJ —j- pi) cost
ab cosw cos(p1—7)
Если принять во внимание, что касательное напряжение т в плоскости сдвига
Таким образом удельная работа деформации в зоне сдвига при резании равна произведению касательного напряжения на относительный сдвиг.
Кроме этого нами было доказано экспериментально, что удельная работа деформации при резании пластичных металлов равна удельной работе деформации при сжатии [13, 12]. Благодаря этому мы можем удельную работу деформации при резании выразить через физико-механические характеристики обрабатываемого металла и получить зависимость
Здесь е — основание натуральных логарифмов, з0 и п — параметры политропы напряжений при сжатии, причем о0—условный предел текучести при сжатии, п—показатель упрочнения.
Параметры политропы напряжений при сжатии связывают напряжение со степенью деформации — при сжатии по зависимости
где А0 — высота образца до сжатия,
Л —высота деформированного образца, для которого определяется напряжение а.
с0 и п могут быть определены опытом сжатия образца из обрабатываемого металла [14]. При сжатии нужно брать исходные размеры образца Ло~2,5 с10 для уменьшения влияния трения на торцах на напряженное состояние.
Уравнение (11) было проверено многочисленными опытами по 9 различным маркам стали, меди и алюминию.
(10)
(Н)
h
По уравнению (И) удельная работа деформации при резании зависит от степени деформации е и физико-механических характеристик металла а0 и п. С увеличением всех этих величин удельная работа деформации возрастает. Так как относительный сдвиг е является функцией усадки стружки С и переднего угла у, то Ауъ является также зависящей от этих величин.
Если мы будем осуществлять процесс резания металлов, для которых а0 и п зависят от скорости деформации, то для этих металлов скорость резания сама по себе будет оказывать влияние на удельную работу деформации. Примером такого металла является алюминий.
Уравнение (11) можно переписать в более развернутом виде
а ( п Са-2:ЛП7-И 1
*ТГ — ссо.т —1 . (12)
й I I
Уравнение (12) четко показывает от каких факторов зависит удельная работа деформации при резании.
Естественно, что факторы процесса резания, так или иначе влияющие на усадку стружки С, будут соответственно влиять и на удельную работу деформации при резании.
Уравнение (12) показывает, что удельная работа деформации не зависит от размеров и формы поперечного сечения среза,—глубины резания, подачи, ширины и толщины среза, угла в плане. При неизменных усадках изменение размеров сечения среза не изменит удельной работы деформации а общая работа деформации Ах будет при этом прямопропорцио-нальна размерам поперечного сечения среза
п У—2 Сзшт-Н
А, = аЬ-*-1еи£ п I
Неизменную усадку при изменении поперечного сечения среза, как известно, мы получаем при режимах постоянной температуры на передней грани инструмента данной геометрии, так как при этом оказываются неизменными коэффициент трения на передней грани, направление равнодействующей силы на передней грани, положение плоскости сдвига и усадка стружки. Таким образом режимы постоянной температуры характерны не только постоянными коэффициентами трения, направлением равнодействующей, положением плоскости сдвига и усадкой стружки, но кроме этого и постоянной величиной удельной работы деформации в зоне сдвига стружки. Это следует не только из уравнения (12), но и из уравнения (10), так так при постоянных С и -у, относительный сдвиг в также постоянен, а при этом и касательное напряжение т в плоскости сдвига постоянно, что приводит к постоянству
По уравнению (12) при известных о0, пу ? и С, можно рассчитать удельную работу деформации. Это будет удельная работа, рассчитанная по физико-механическим характеристикам обрабатываемого металла. Если, с другой стороны, провести опыты по резанию с измерением сил и усадки стружки, то по результатам опытов можно рассчитать касательное напряжение т и относительный сдвиг е. В этом случае удельную работу можно определить по уравнению (10) и это будет экспериментально полученная величина удельной работы.
На фиг. 10 показано влияние усадки стружки на удельную работу деформации при резании стали 12ХНЗА, имеющей физико-механические характеристики а0 = 78 кг;мм2 и п~0,165. На фиг. Ю сплошная кривая построена по уравнению (12), т.е. по физико механическим характери-
(13)
стикам металла, полученным из опытов сжатия. Точки, расположенные на графике, получены экспериментальным путем и их расположение подтверждает правильность уравнения (12).
400
щ
^300
сз
200
О) •с?
100
Ъ <ъ
■-------------- - / .....1
,ы ! 1 У
СтпалЬ 12ХНЗА в0 = ?8; 0.165 -О- 5 - 0.145ттп/о5 = /
12 3 4 5 6 Усадка с тпру э4ски
Фиг. 10
На фиг. 11 для этой же стали нами показано изменение усадки стружки и удельной работы деформации с изменением скорости резания. Подобные графики можно было бы привести по имеющемуся у нас экспериментальному материалу для 9 различных сталей, меди и алюминия.
г
4 оо
ъоо
„о -о 53
§ 200 I -о
с;
<ъ СЪ Сп
гоо
и 6
а
съ к
«
2
с К СталЫгХНЗА Б = 0,1^5 ыт/об.
\ N.
—о
о- го Ьо во во юо го 4о во 80 гоо
" 1 "И С
-о- —о
о го 4о 60 80 юо го 4о 60 80 гоо
СИоростЬ резаная V т /тпин.
Фиг. 11
"Перейдем теперь к выводу уравнения для удельной работы трения на передней грани инструмента В одной из наших работ было
доказано [13], что сумма удельных работ деформации и трения на передней грани равна удельной работе Ашп, производимой передней гранью инструмента.
Awt Awf~ Awn,
Поэтому
Awf — Awn — Awzt
то есть
л
WF
ab
Aw,. (13a)
Здесь А\ул — удельная работа, затрачиваемая на образование и отвод стружки.
Для силы Ри приложенной на передней грани, нами было выведено и подтверждено опытами уравнение
Пг
1Т5" _ 1
р =1о. аЬ ---- . (14)
П 1
СсоэС-*]—т)
Здесь г\ — угол трения между стружкой и передней гранью. Подставляя (11) и (14) в (13а), получим
№
А _ а0 еТв-1 о0 «
---пг----\е 1,5 ~ 1Л
п ^__^ п
СсоэС^—т)
А„= * (еЪ-1)—-™11 — -. (15)
п ^СОБ(т] — 7) — БШТ]
Уравнение (15) показывает, что А^р зависит от физико-механических характеристик металла, переднего угла, усадки стружки и угла трения г\ между стружкой и передней гранью, причем зависимость удельной работы трения от физико-механических характеристик точно такая же, как удельной работы деформации.
Можно в это выражение ввести вместо угла трения величину коэффициента трения р.
После преобразований получим, что
бш^ __tgY^
£.со$(г\—7)—эшг} соэу -(- ígris\щ)—tgr^
так как то
** fíe .,
AWF = —(er,5—1)-^--. (16)
ti C(cosy + jj-siny)—
Если сравним уравнение (16) с (11), то получим соотношение между удельными работами трения и деформации
AwF = An------. (17)
q(cosf ijtsiny) —u-
Уравнение (17) показывает, что соотношение между Awf и Awz определяется коэффициентом трения на передней грани усадкой стружки и передним углом инструмента. Нельзя рассматривать влияние каждого из этих факторов по отдельности на соотношение удельных работ, так как в
процессе резания изменения этих факторов связаны друг с другом,—изменение 7 всегда приводит к изменению ^ и изменение у неизбежно изменяет С.
Уравнения (15) и (16) показывают, что удельная работа трения не зависит непосредственно от размеров и формы срезаемого слоя. Изменение размеров и формы поперечного сечения среза не изменит удельной работы трения на передней грани,
«а
£
1§
О
^ 70
60
50
СталЬ 12ХНЗА ....... 1
• о/ у
< > г
< X у М__* X 1 _____ . - X
0.8
О?
К
05 £
5
0,6 Ци
о
03
если при этом не будут изменяться р-, С и у. Такому условию удовлетворяют режимы постоянных температур для инструмента постоянной геометрии.
Уравнения (15) и (16) являются зависимостями общего вида для удельной работы трения на передней грани инструмента. Покажем насколько удовлетворительно они подтверждаются опытами. На фиг. 12 показано изменение у- с изменением усадки стружки зафиксированное в опытах. По этим опытным значениям у. и С, имея для стали 12ХНЗА
значения а0 = 78 кг!мм2 и я== 0,165, определенные опытами по сжатию, можно пользуясь уравнением (16) подсчитать удельную работу трения Аург. Эта удельная работа, рассчитанная по физико-механическим храктеристикам металла, представлена на фиг. 12 сплошной кривой. Кроме этого, по опытным значениям сил резания можно непосредственно определить силу трения на передней грани и по ней рассчитать удельную работу трения, минуя физико-механические характеристики металла. Эти значения удельной работы представлены на фиг. 12 крестиками.
Как видно из фиг. 12, расположение крестиков относительно кривой достаточно удовлетворительное и наибольшие отклонения не достигают 10%.
На фиг. 13 показано изменение А^г в зависимости от скорости резания. Здесь также сплошная кривая проведена по уравнению (16), крестики
г 3 4
Усадка струакки Фиг. 12
70
4
ъ сз
^50
1-- I.......
1 ' 1 —X— ——»X X
го 40 60 80 100 20 40 СкоростЬ резания
Фиг. 13
60 80 200 1/ ТГ? !тп и н
го
являются результатом подсчетов по опытным данным. Фиг. 12 и 13 показывают, что удельная работа трения на передней грани в широком диапазоне скоростей резания при существенном изменении усадки стружки и
^ ;зоо
е
£ 55
гоо
«У
-О ^ (
гоо
коэффициента трения изменяется очень мало, повышаясь с увеличением усадки стружки, потому что этому сопутствует значительное увеличение коэффициента трения, и понижаясь с увеличением скорости резания, так как при этом уменьшаются ¡х и С. Изменение удельной работы трения при полуторакратном изменении коэффициента трения и двукратном изменении усадки не превосходит 20%.
Это же обстоятельство подтверждается фиг. 14, на которой приведен график изменения удельных работ и Ажг в зависимости от температуры на передней грани при резании стали ШХ15 по опытам Ю. П. Зимина [10]. При повышении температуры на передней грани, т. е. при повышении скорости резания, удельная работа деформации снижается, удельная работа трения остается постоянной. Следует обратить внимание на то, что на фиг. 14 нанесены точки для пяти различных подач, причем при постоянной температуре величина удельной работы от подачи не зависит, что уже было указано ранее при анализе уравнений (12) и (16).
Таким образом мы показали, что уравнения общего вида, связывающие удельные работы деформации А^ и трения на передней грани Ахгр с физико-механическими характеристиками обрабатываемого металла и с параметрами процесса .резания, удовлетворительно подтверждаются экспериментами.
о
СталЬ ШХ15
Й
—1 I—Й- -В-5 _
400 500 600 700 800 Температура на передней грани °С
Фиг. 14
Соотношения отдельных составляющих работы на передней
грани инструмента
Не представляет затруднения выразить отношения работ деформации .и трения ко всей работе, совершаемой передней гранью инструмента. Из .приведенных ранее уравнений общего вида получим:
1
БШТ}
Ау-. _
А \г/7
Ачгп ссоз(т) —у)
ссоб(^—у) вШТ]
(18) (19)
Уравнения (18) и (19) показывают, что относительные величины удельных работ не зависят от физико-механических характеристика обрабатываемого материала и полностью определяются тремя параметрами, —углом трения 7] (или коэффициентом трения ¡а), передним углом у и усадкой стружки С. При известных значениях этих параметров по уравнениям (18 и 19) можно определить какую часть работы на передней грани инструмента составляет работа, деформации и работа трения. Так как с изменением скорости резания и температуры на передней грани в процессе резания бу-
дут изменяться С, у и т\, то при этом будут изменяться и отношения удельных работ, определяемые уравнениями (18) и (19). Эти отношения можно поставить в зависимость только от усадки стружки по следующим соображениям. Усадка стружки С, при данном переднем угле у полностью определяется положением плоскости сдвига, которое зависит от направления равнодействующей силы на передней грани резца, определяемое в свою очередь коэффициентом трения ^ или углом трения г\. Таким образом получается, что при определенных значениях ] и С, угол т] (или коэффициент трения должен иметь определенное значение и отношения работ также должны иметь определенную величину.
При этом в области скоростного резания (без нароста на передней грани инструмента) механические характеристики и марка обрабатываемой стали не должны заметно сказываться на значениях ци)] приданных у и С. Опыты подтверждают эти предположения. На фиг. 15 приведены экспериментально полученные графики коэффициентов трения при скоростном резании различных сталей резцами с различными передними углами. Графики показывают, что независимо от сорта стали при данному коэффициент трения (значит и угол трения т|) может быть связан с усадкой стружки. На фиг. 16 представлена зависимость
^^^^ \ |
2.5 З.С 3,5
Ьсадки сгпружки С
Фиг. 15
БШТ]
СсОЭ(т] — у)
которая получена на основании фиг. 15.
Естественно, что фиг. 16 дает графическое представление уравнения
(18), поэтому на оси ординат помещено отношение
А_
Ахуп
По фиг. 16, зная Сиу можно определить указанное отношение, которое будет действительно с достаточной степенью точности для любой стали в области скоростного резания.
На фиг. 17 представлен график
А
Жп
/(С,т).
Его можно построить воспользовавшись фиг. 16, так как
А № •» А уу-
1 —
А
ХУп
Фиг. 16 и 17 дают ясное представление об изменении составных частей работы резания на передней грани инструмента. При увеличении переднего угла г падает доля работы деформации и повышается доля работы трения. При увеличении усадки стружки возрастает доля работы деформации и уменьшается доля работы трения, В пределах, встречающихся в практике значений усадки и при передних углах от 20 до—10°, работа деформации
Л
может составлять от 60 до 86%, работа трения от 14 до 40% от общей работы, совершаемой передней гранью инструмента. В этих условиях работа деформации всегда превышает работу трения.
Если известна или экспериментально получена закономерность изменения усадки стружки с изменением скорости резания, то на основании
0,8
! ^
* 0.7
3
Сэ
I 0.5
0,5
1 г ъ 4 5 е
Усадка стружек и £ Фиг. 16
«V Г
0к
ОГо
сэ.
0,2
0,1
г Скоростное резание сталей .
\ 1 \ '=го°
1=0° - • К* .. 1Г
б - Д|
г 3 к
Усадка струэкки ^
Фиг. 17
фиг. 16—17 просто определяется соотношение удельных работ на передней грани инструмента. На фиг. 18 представлены полученные опытами кривые усадки стружки при резании стали 10 с ^ = —10° и к = 0°. По этим
4
*
ст 3
«э
а 2
СталЬ 10 t - Зтпт з =о.г9тлМ.
с \ oi ч К < X* -
■е- Гуео: °
кривым построены графики баланса работы на передней грани резца. Основную часть представляет работа деформации в зоне сдвига стружки, которая при 10° составляет от 80 до 87%, при у— +20° от 69 до 76%. С изменением скорости резания изменение удельного веса работ деформации и трения сравнительно незначительное и не превосходит 10%.С повышением скорости резания удельный вес Л^ немного снижается; удельный вес наоборот, несколько возрастает. Можно предполагать, что, если бы мы произвели опыты с дальнейшим повышением скорости резания, то мы имели бы дальше постоянное соотношение удельных работ, т. к, усадка и коэффициент трения при дальнейшем повышении скорости прекращают свое снижение и их значения стабилизируются. Таким образом в области очень высоких скоростей резания (300— 400 м/мин) можно ожидать примерно постоянного соотношения между удельными работами Ату? и АWF• Так как при этих скоростях при любой геометрии инструмента усадки обычно имеют порядок С = 1,8—2,5, то работа деформации будет составлять приблизительно 65—80%, работа трения 35—20%.
Если представленные на фиг 16 и 17 соотношения удельных работ отнести не к усадке стружки С, а к относительному зависимостью
щ 4о бо во юо ■120 Ш ш т гоо СкоросгпЬ резания ^п'^тин *
Фиг. 18
сдвигу в, связанному с усадкой стружки
Ссоэт
то получится график, представленный на фиг. 19.
Здесь по оси абсцисс отложен относительный сдвиг е, а по оси ординат проценты. Для разных передних углов нанесены различно обозначенные точки, причем можно видеть, что, если по этим точкам провести некоторую среднюю кривую, то точки будут отклоняться от нее не более чем на 3—4%. Поэтому можно считать что кривая будет достаточно хорошо удовлетворять всем передним углам от+20 до—10°. Эта кривая показывает какую долю работы на передней грани Ап составляет работа деформации в процентах. Естественно, что дополнение до 100% принадлежит работе трения на передней грани. Так, например, при относительном сдвиге е = 2 работа деформации составляет 68,5%, остальное, т. е. 31,5% составляет работа трения на передней грани. При е = 6 соответственно доли этих работ 88 и 12%.
Фиг. 20 показывает, что в обычных случаях скоростного резания когда е > 1,5, работа деформации всегда превосходит работу трения на передней грани и тем более значительно, чем больше степень деформации стружки, выраженная относительным сдвигом е. С повышением скорости резания степень деформации падает и в работе, совершаемой передней
100
90
80
?0
50
~0
1 Работа тпе ния Л^
Ч^с Л-0-*" о--
ж°
! / Ра1 юта деу Ьортпацт о г= '-Ч- ?о°
1 / Г ! / 1 Л ъ = х С Т=-10° 1 ;
1 г з 4 5
ОтносителЬнЬ/й) с а Виг £
Фиг. 19
гранью, будет возрастать доля работы трения и уменьшаться доля работы деформации. Абсолютные значения этих работ с повышением скорости резания будут уменьшаться, причем работа деформации А будет
уменьшаться очень значительно, так что ее величина может изменяться в 2 и более раз, работа трения А} будет уменьшаться сравнительно немного.
гь 2г
К! СталЬШШ риГ&О/!?*?
* ^^ Г о— •РЧГк^ -О—
|
100
150
200
250 306
На основе приведенного материала, полученных зависимостей общего характера и графиков их отражающих, мы можем привести сводную диаграмму разделения работы резания на составные части. Это сделано на фиг. 20 для случая резания стали 111X15 с передним углом 7=10° и подачей 5—0,43 мм!об. Вверху приведена кривая усадки стружки, полученная экспериментально. Наличия этой кривой вполне достаточно, чтобы по фиг. 16 и 17 решить вопрос о соотношениях работ деформации и трения на передней грани. Так как взята довольно крупная подача (5 — 43 мм!об), то доля работы на задней грани будет очень незначительна и, ориентируясь на приведенные выше материа-
ксрОсгпЬ резания V тп/тин^ Фиг. 20
будет уменьшаться примерно столь же значительно, как и удельная работа Aw--
Температура в зоне трения на передней грани инструмента зависит от суммы удельных работ деформации и трения т.е. от удельной работы,со вершаемой передней гранью Awn. Но, несмотря на то, что с повышением скорости резания величина Awn значительно уменьшается, температура на передней грани с повышением скорости резания неизменно возрастает, причем на высоких скоростях она в 2—3 раза превышает температуру в зоне сдвига, хотя удельная работа трения AWf составляет лишь 30—40% от работы деформации Aw-z. Это объясняется следующими причинами.
Нагрев стружки в зоне сдвига осуществляется теплом, выделяющимся в результате работы деформации. Здесь она прогревается насквозь до температуры, пропорциональной удельной работе деформации Aw%* Прогретый металл стружки в процессе трения с передней гранью дополнительно подогревается теплом, выделяющимся вследствие тех дополнительных де-¿ю~-формаций, которые возникают в результате трения о переднюю грань. Трение оказывает тормозящее действие на контактный слой стружки, благодаря чему слой некоторой толщины оказывается дополнительно деформированным в очень значительной степени. Толщина этого слоя вторичной деформации очень мала и обычно составляет 5—10% от толщины деформированной стружки. Работа трения затрачивается в основном на ^•деформацию этого слоя и выделяется тепло подогревающее стружку, причем это тепло будет эквивалентно работе трения.
Температуру слоя вторичной деформации можно подсчитать, если к температуре, которую получила стружка в зоне сдвига, прибавить температуру, рассчитанную по удельной работе трения Awf- Но величину Awf мы получили путем деления работы трения Аг на весь объем металла, превращаемого в стружку. Такая величина Awf была удобна для сравнения составных частей работы резания. Принципиально же, вернее, для расчета удельной работы трения, т. е. работы, отнесенной к единице объема деформированного трением металла, делить работу трения Af на объем того слоя стружки, который претерпевает под влиянием силы трения дополнительную деформацию. Так как толщина и объем этого слоя в 10—20 раз меньше толщины и объема снятой сгружки, то и величина удельной работы трения, рассчитанной по объему этого слоя, окажется в 10—20 раз выше, чем рассчитанной по всему объему стружки [7]. Ранее для стали 12ХНЗА мы привели графики удельных работ деформации и трения (фиг. 11 и 13), причем А ^изменялась в пределах от 375до 170 кг\мм\мм? Awf—от 58 до 53 кг/мм/ммг, понижаясь с увеличением скорости резания, от 40 до 200 м/мин. Значения удельной работы трения Адер существенно меньше удельной работы деформации. Если принять во внимание приведенные выше соображения, то эти значения удельной работы трения нужно увеличить в 10—20 раз. Тогда действительная удельная работа трения в слое вторичной деформации стружки окажется в 2—3 раза больше, чем удельная работа деформации в зоне сдвига, и станет понятным, почему температуры на передней грани инструмента столь высоки и превосходят температуру в зоне сдвига в 2—3 раза.
С повышением скорости резания температура на передней грани растет, что фиксируется объективным измерением ее. Все исследователи считают, что этот рост является следствием уменьшения промежутка времени контакта стружки с передней гранью инструмента при повышении скорости резания, что приводит к снижению теплоотвода от слоя вторичной деформации в толщу стружки и тело резца. Не отрицая возможности действия фактора времени на теплоотвод, мы предполагаем, что здесь имеет место и другая причина повышения температуры в зоне трения с повышением скорости резания.
Эта причина заключается в том, что толщина слоя вторичной деформации с повышением скорости резания уменьшается. Уменьшение толщины слоя вторичной деформации было замечено Т. Н. Лоладзе [15]. При обработке стали св = бЗ,5 кг/мм2 с подачей 5 = 0,54 мм/об, углом в плане ср —60° и передним углом ? =—10° автор на шлифах продольного сечения снятой стружки измерял толщину слоя вторичной деформации на стороне стружки, обращенной к передней грани резца. Значения скорости резания, усадки стружки С, толщины снятой стружки аи толщины слоя вторичной деформации а2 и отношения — приведены нами в таблице
я,
V у «1 а2 Ч
51 2,44 1,15 0,1 0,087
80 2,22 1,04 0,08 0,077
101 2,16 1,01 0,07 0,07
132 2,15 1.01 0,06 0,06
159 1.8 0,84 0,04 0,048
Из приведенной таблицы следует, что с повышением скорости резания отношение толщины слоя вторичной деформации к толщине снятой стружки заметно уменьшается. Если при скорости резания 51 м/мин слой вторичной деформации составляет 8,7% от толщины снятой стружки, то при скорости 159 м/мин—лишь 4,8°/0. Действительное значение удельной работы трения может быть получено, если работу трения отнести к слою вторичной деформации. Поэтому, в соответствии с уравнением (15), которое давало значение удельной работы трения А\рг> отнесенной ко всему объему снятой стружки, выражение для действительной удельной работы трения, которую мы обозначим символом А'\рг можно дать в следующем виде
-=---^ . (21)
п \ / Ссоз(т]—этт] а2
Мы ранее на фиг. 13 показали, что удельная работа трения Ашг, отнесенная ко всему объему стружки, незначительно уменьшается с увеличе-
а,
нием скорости резания. Так как отношение —1 с повышением скооости
резания существенно возрастает, то и действительная удельная работа трения будет увеличиваться. Это приведет к повышению темпера-
туры в слое вторичной деформации, а значит и в зоне трения стружки по передней грани инструмента.
ЛИТЕРАТУРА
1. Брике. Резание металлов. СПБ, 1896.
2. Рудник С. С. Теория резания металлов. ОНТВУ, Машбудвидав, 1932.
3. Г л е б о в С. Ф. Теория наивыгоднейшего резания металлов. Госмашметиздат. 1933.
Глебов С. Ф. Работа резания и ее составные части. Вестник Металлопромышленности. № 10, 11, 1936.
Глебов С. Ф. Работа резания и ее составные части. Сборник сокращенных докладов конференции по резанию металлов. АН ССР, 1937.
4. Розенберг А. М. Динамика фрезерования. Изд. Советская Наука. Москва, 1945.
5. Аваков А. А. Некоторые вопросы стойкости резца. Труды Тбилисского института инженеров железнодорожного транспорта. Вып. XXIV, стр. 46, фиг. 17, 195!.
Бе с л роз в а нный И. М. Основные теории разания металлов. Стр. 147, фиг. 209. Машгиз, 1948.
6. Клушин М. И. Резание металлов. Машгиз, 1953.
7. Зоре в Н. Н. Исследование элементов механики процесса резания. Машгиз, 1952.
8. Розенберг А. М. Определение сил на задней грани резца. Сборник работ Западно-Сибирского филиала АН СССР „Вопросы машиноведения и машиностроения". Новосибирск, 1951.
9. Розенберг А. М. и Розенберг Ю. А.. Уравнение силы при резании хрупкого металла (чугуна). Известия Томского политехнического института, том 75. Томск, 3 954.
10. Зимин Ю. П. Исследование процесса скоростного резания сталей. Диссертация. Томск, 1947.
11. ПромптовА. И. Динамика скоростного фрезерования сталей. Автореферат диссертации. Томск, 1954.
12. Розенберг А. М. и Хворостухин Л. А. Проверка уравнения силы резания на скоростных режимах. Известия Томского политехнического института. Том 75* Томск, 1954.
13. Розенберг А. М. н Еремин А. Н. Теоретический вывод уравнения сил резания. Известия Томского политехнического института, том 75, 1954.
24. Кузнецов В. Я. Физика твердого тела. Том II. Томск, 1941
15. Лоладзе Т. Н. Стружкообразование при резании металлов. Машгиз, 1952.
