CC BY
19
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том < 8, выц 1 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1951 г.
ЗАКОНОМЕРНОСТЬ ИЗМЕНЕНИЯ И ВЗАИМОСВЯЗЬ ЯВЛЕНИИ В ПРОЦЕССЕ РЕЗАНИЯ СТАЛИ
А. Н. ЕРЁМИН
Цель исследования
Процесс свободного и несвободного резания с физической точки зрения представляет собой сложный процесс деформации металла, превращаемого в стружку. Несмотря на огромное количество экспериментальных исследований, имеющих большое практическое значение, мы все же не имеем еще достаточно ясного представления о всех законах изменения явлений процесса резания, о их взаимосвязи и причинах изменения. Отсюда понятно, почему в литературе по резанию до сих пор имеются противоречивые толкования и предположения по ряду вопросов процесса образования стружки.
Достаточно указать на существующие противоречия в вопросах о влияние скорости резания на силу резания и на усадку стружки. Имеются противоположные мнения и о зависимости усадки стружки от толщины среза. Нет единого представления о процессе образования и исчезновения нароста на резце. Часто неправильно объясняется процесс образования и изменения неровностей на обработанной поверхности.
Есть вопросы, которыми вообще не занимались исследователи. Например, никто не исследовал закономерности изменения геометрии (угла) нароста на резце и не обратил серьезного внимания на роль геометрии нароста в процессе резания. Также никто не исследовал зависимость между усадкой и упрочнением стружки при резании железоуглеродистых сплавов и не сравнил эту зависимость с аналогичной зависимостью при пластическом сжатии образца и т. д.
Из приведенных примеров видно, насколько еще неполны наши познания в различных вопросах процесса резания, хотя в этом направлении в последние годы уже сделаны определенные сдвиги [5].
Настоящая работа является экспериментально-теоретическим исследованием явлений процесса свободного и несвободного резания железоуглеродистых сплавов. Работа проведена в период 1937—1947 гг.
Цель исследования—установить закономерности изменения явлений процесса резания, их взаимосвязь и причины изменения явлений.
Были исследованы геометрия нароста на резце, деформация и упрочнение стружки и сжатого образца, силы и напряжения при резании и лри пластическом сжатии, чистота обработанной поверхности. Попутно исследованы температура резания на гранях резца и в стружке, свойства деформируемого металла, трение на гранях резца и другие явления процесса резания.
Условия и методика исследований
Вся экспериментальная часть исследований проведена на одних и тех же образцах (болванках) из углеродистых и хромистых сталей (табл. 1).
Таблиц« i
Характеристики испытуемых сталей
НБ кг/мм'2 V * исх сек i Удлинение з10н <зх S. Резание Сжатие
Материал кг/мм2 *- 03 ^ u т ! ° сек i m То сек 1 ■ ■ г 1 Ш I
Углеродистая сталь 1010—л . 40 105 18,7 29,6— 31,6 68,4-70 24,8 | 0,185 22,1 |0,135
Углеродистая сталь 1020 —п . 44,6 118 19,7 26,4-30 61—64 25 !0,187 _ i Í _ 1
Хромистая сталь 5120—н .... 50,3 135 20,6 27,5- 28 69,7-70,4 26,7 0,185 24 1о,135
Углеродистая сталь 1035—н . 64,6 173 _ 21,6 51 _ ¡ !
Углеродистая стаяь 1040—н . 65,8 180 •24,5 21,3- 22 53—55 32 0,185 28 1 jo,135
Хромистая сталь 5140—о .... 71,3 197 25,6 16,3-19,3 46-47 32,8 1 0,190 i 28 ,6 j0,135
Углеродистая сталь ..... _ 260 •29,4 ___ 37,6 0,195 1 _ I
Углеродистая сталь . . . . 163 __ ! -
Нержавеющая сталь ..... ¡ I 225 34,4 - i 1 — i i i 43,8 1 0,185] — 1 i ! i j í i
Обозначения: п — прокат; « — нормализация; о — отжиг; Vаех — исходная твердость по маятнику Герберта (по времени в секундах); Т0 и ТУ— константы — условная твердость (по времени); m, mr — показатели степени.
Резцы для испытания были взяты из быстрорежущей стали (РФ-1) и твердого сплава (ВК-8) нормальной геометрии (угол резания 3 = 35 — 105°; углы в плане 9=0 — 90° и <?i — 0—10°; угол задней заточки а=5—8°; радиус при вершине г —0 — 6 мм); резцы с фаской — с комбинированной передней гранью (угол резания 81 = 90°; угол схода стружки 82ж43°; ширина фаски k~ а — толщине среза).
Режим резания изменялся в широких пределах. Скорость резания v изменялась от 0,0007 до 640 м/мин, толщина среза а —от 0,01 до 1,0 мм, ширина среза b — от 0,1 до 3 мм. Температура на резце колебалась от 20 до 900°С.
Резание проводилось на токарном станке без применения смазки н охлаждения, при условии отсутствия вибраций. Образцы сжимались на прессе Амслера со скоростью 0,0008 м/мин. Температура определялась: на резце—по гальванометру, методом естественной термопары (резец— обрабатываемый материал), в стружке — по цветам побежалости, приближенно. В обоих случаях проведены предварительные тарировочные опыты. Твердость стружек, поверхности среза и сжатых образцов (под прессом) измерялась маятником Герберта (время в сек. 10 качаний, при шарике d—\ мм). Наблюдение за образованием нароста на резце в процессе резания и измерение угла и высоты нароста проводились посредством специального оптического прибора конструкции автора (фиг. 1). Силы резания измерялись трехкомпонентным гидравлическим супортом. Вели*
чина неровностей на обработанной поверхности определялась профилог-рафом, работающим по методу прерывистого ощупывания [1]. Усадка стружек находилась или способом взвешивания, или по нейтральной линии стружек при помощи компаратора. Всего было проведено около 5000 опытов. Подвергнут анализу материал, имеющийся в литературе по резанию.
Фиг. 1
Результаты исследований
На основании теоретического анализа и экспериментальных исследований автором установлено, что основной причиной изменения всех явлений в процессе резания является температура резания на резце и в стружке.
Температура резания изменяет условия трения на гранях резца, исходные свойства металла, превращаемого в стружку, изменяет действительную геометрию резца (за счет изменения угла нароста на резце), в результате чего происходит изменение усадки стружки С, ее твердости ТН) силы Р£ и напряжения резания изменение чистоты обработанной поверхности (за счет неровностей) и других явлений процесса резания. Установлено также, что активность влияния различных факторов резания (V, а, Ь, 8 и т. д.) на изменение явлений процесса резания зависит только от степени их воздействия на температуру резания и на объем деформируемого металла впереди резца.
Чем больше скорость резания, элементы сечения среза, угол резания резца и исходная твердость обрабатываемого металла, тем выше температура резания, и наоборот.
Общая картина закономерностей изменения и взаимосвязи явлений в процессе резания под влиянием температуры резания (например, с увеличением скорости резания V) представлена на схеме фиг. 2. Здесь каждая кривая имеет типичный характер, одинаковый для всех металлов, исследованных автором (табл. 1), и подтверждена большим количеством
экспериментов [2], Последние приведены в настоящей статье только в виде отдельных примеров для иллюстрации тех или иных положений»
При этом примеры преднамеренно взяты из опытов по разным сталям.
Из фиг. 2 следует, что с повышением температуры резания (при возрастании V, фиг. 2а и 3) изменяется коэфициент внешнего трения ^ на передней (и задней) грани резца1) (фиг. 26, 4) по закону кривой, имеющей максимум при температуре на резце &трях600°С [2]. Подобная же закономерность изменения [х наблюдалась исследователями и при трении чистых поверхностей (железо—чугун) [6] и при пластическом сжатии [II] (фиг. 4а), а также была подтверждена обширными исследованиями лаборатории резания ТПИ [3] (фиг. 5).
По существующим исследованиям металлофизиков и металловедов известно, что под влиянием температуры в железоуглеродистых сплавах возникает характерное явление синеломкости (хрупкости). В связи с этим исходная твердость Тисх (по времени) и другие характеристики прочности металла {НБ, а^) сначала возрастают с повышением температуры (фиг. 2Ь, 6, 1), достигая максимума при температуре синеломкости (при резании — в стружке) (\ан, а затем падают. Характеристики пластично-сжатие 6 %) изменяются наоборот
\cv~Vkp
сти металла (фиг. 8).
Фиг. 2
(удлинение 5
% и
//ОО 1
9во
?оо
.ТОО
По известной формуле \>-
N
г50
Снчроапь V
Фиг. 3
где р— сила в плоскости передней (или задней) грани резца,
/V—сила, нормальная к той же грани резца,—получены экспериментальным путем.
OS j-1-i- I-!-!-1 " г""""""Г
Mec боЗодное ре заме ^ as---—--y ц.
с О?------^-^---
: ß г сю f035 --
^ s^f0^ - noâeâom
^ ■<*>—$90* O- 032 â*/3.
061 I j_1_I__
<7 5¿>ЛтЗ
C/rOpOCrn à
Фиг. 4
/Sec 6 о5одно е peje ГА/г/е
о ___. о Cm ¡035 Резец - поЗедот $•-90* О'- 032 S*ГЗ.
§ I
03
Железо Лрмко ло хромистой Сжатие /7о J/ашкО а др
о > гоо 4oo 600
Т*емперог7?урq £°Ç
800
Фиг, 4a
(К
а?
06
Об
04
- Спал* ¿LSJC-¿5 //s - fSP x s = ° 03 ""/ob a S = ÛÛ9 " с 02 p j r -
X
4
te
4oo 500 ООО POO 800
Фиг. 5
POO
/ООО
Несомненно, что по тем же причинам и по тому же закону должны изменяться исходные характеристики обрабатываемых сталей с повышением температуры резания в процессе резания.
1-1-1-1-{-1 I..,.
а гоо цоо воо
Температура °с Фиг. 6
При резании железоуглеродистых сплавов, как известно, наблюдается тление образования нароста на резце (фиг. 9), искажающее действительную геометрию последнего в процессе резания. Несмотря на то, что ва-
к*
/О/О Нв*№ г» .Оп О г% ^'ооооО-
-ооЖссЗ
—о—*■■-
I "
*
§ .22
Л
Й " /8
/020 = //3
П Ао-
в о
^ООО-О ЙП
--в" 11—--
/00
200
300
ЬОО
/ОЧО =/го
■ 6° г .л—гг—ТГ"
и-
„о уртИцм В
£ре пир Лп-
200
гоо
4оо
Температуря 8 градусах Фиг. 7
рост исследуется около 50 лет, однако, до сих пор нет ясного представления» о процессе образования, изменения и исчезновения нарост «а резце. С!*1ЙШ •• ^
Автором установлено, что нароет есть часть стружки, задерживаемой трением (или фаской, на резце с фаской) на передней грани| ре\ша
80
^60
%
I £
го
О 200 & 00
Температура Фиг. 8
Сталь \ \
* ✓
г/. /
Л 0
!
80
I
I
ьо Ь
I
РО ЪГ §
Этим подтверждается предположение, высказанное А. М. Розенбер-гои [,12], и опровергаются представления о наросте как зоны застоя деформируемого металла на резце (Усачев, Эрнст, Каширин, Розенгейн и
греза
Фиг. 9
ней) или как скопление мельчайших частиц металла, соскобленных резцом и спрессованных на передней грани последнего (Тейлор, Паткай, Кри-воухов и др.).
В действительности, нарост образуется из стружки в результате одновременного сдвига в ней под углом ^ и в плоскости касательной к линии среза (фиг. 10). Нарост образуется только в тот момент, когда стружка задерживается на резце контактной поверхностью под влиянием трения (или фаской).
С изменением температуры резания (влияющей на трение и свойства деформируемого металла (фиг. 26, в) изменяется состояние, высота Ли угол нароста на резце (фиг. 2г). Из неустойчивого (по геометрии),
пассивного состояния при комнатной температуре (¿1О«20°С) нарост постепенно переходит в более устойчивое, активное состояние с повышением температуры (и трения). При этом нарост не находится на резце постоянно, в виде »зоны застоя*1. Наоборот, он непрерывно появляется и срывается (сдвигается) с резца в направлении движения стружки под влиянием силы деформации металла, действующей на заднюю грань нароста (фиг. 9). Сбегающая стружка не участвует в срыве нароста, но способствует удалению его с резца. Удаленные наросты видны на контактной поверхности стружки в виде зазубрин.
Зависимость угла нароста 81 от температуры резания (фиг. 2г) объясняется, иовидимому, тем, что температура, изменяя ц и Тисх (фиг. 26, в), изменяет направление равнодействующей силы на резце И (фиг. 9), под влиянием чего и происходит изменение угла сдвига в стружке 01, в момент образования нароста. Высота нароста к зависит и от угла 81 и от объема деформируемого металла впереди резца. Чем больше объем и меньше угол 8Ь тем больше высота нароста, и наоборот (фиг, 2г).
Теоретически и экспериментально доказано автором (опытами с резцами с фаской), что при резании стали (табл. 1), с возрастанием температуры от 20°С и выше, нарост на резце имеет наибольшую высоту кхтах и наименьший угол Ь1т1п = 42—45° при температуре (фиг. 2г,
С повышением температуры угол нароста увеличивается до \тах — 3 угла резания резца, а высота его падает до кт1п = 0, при критической температуре на резце 4° (фиг. 2г, пунктирные линии). В этот момент нарост на резце исчезает и больше не появляется, независимо от дальнейшего повышения температуры свыше ¿3°.
Нарост исчезает на резце не потому, что он размягчается и стирается стружкой (Рапац, В. Д. Кузнецов и др.), а потому, что при температуре сдвиг в стружке (образующий переднюю грань нароста) происходит под углом 85=о, т. е. в плоскости передней грани резца. Величина кри-
Фиг. 10
11, 12).
тической температуры исчезновения нароста на резце /°3 определяется только углом резания резца 8. Чем меньше угол, тем меньше и наоборот (фиг. 13). Для резца с углом резания 8^45° критическая температура исчезновения нароста fz=toí^20oC, так как при этих условиях и угол нароста 81|В'Я'«42°—45° (фиг. 12, 13). Во всех случаях объективным признаком исчезновения нароста на резце (при любом значении служит момент появления блеска на контактной поверхности стружек,.
600
-с
1 I
1
5&0 /
4о *
ЭСромаст стаяЬ &=оз/ -,ё=/.5 Резей с сраской
¿С
Дележ/я голь£моме/пра Фиг. 11
Закономерность изменения геометрии нароста на резце нормального вида (без фаски) под влиянием температуры резания имеет несколько мной характер (рис. 2г, сплошные линии). В данном случае, при температуре резания нарост на резце, обычно, отсутствует вследствие слабого трения на передней грани резца (фиг. 26), а потому угол иаро»
бо
^ 50
4о
О /0/0 л /ого - //в * - /63 • 1040 - /80 р - гео х 5/го /ио Ъ 5М -197 > <
X
* Ж •А ^ ор
0 1
Щ ХА V А ! < стамб а = о.з/, &=г5 Резец с сраской
ес
Деяе/м/р гальванометра
Фиг. 12
ста 8, =8,»^ = 8 и А = 0. Последнее отчетливо видно из фиг. 14 и 15, показывающих зависимость угла 8! и высоты к нароста от скорости резания и угла резания резца 8. То же наблюдается и на фиг. 16 при резании с различными толщинами - среза а и на фиг. 17,17а при резании сталей с различной исходной твердостью.
С повышением температуры (и трения) от 20°С и выше увеличивается активизация нароста, угол его сначала уменьшается до некоторого зна-
Углеродист,
cm о л с? Q-OJf ftn
О/ ох/юждем/р
.6Г -4-5' ^
S-is'
$--92' О
te
/о го зо Деления ea/tbêartorfpmpa
Фиг. 13
1 \ \ \ j Л»- СЛ9 57¿>0 £ Победит Ó/oz/газкд
/ к \ \ \ \ \
t Í i \ \ S' 75'
l î l i ù г Л V > О о б/' [ ■ ■ о-
Iii . ¿ Êyir ■ * Гд f/°y —Ч- \ \ \ > \
S'W \ \ \
40 60 80 1QO
Скоростб Vм/м un. Фиг. 14
эдкия V'" при температуре ¿°2 !)> после чего начинает увеличиваться достигая снова значения = 8 при критической температуре исчезно-
I
I
0
1
^оо
200
—X ..... / * \ ^ Ух * и * ст. §/го /7оде$с//п О = 0.3/ММ в - /5 мм Зез ахложд
Я Л х • ^х х\ X V« ч \
V Ч 1 &"75°х Л * Л* ч
О 8--6Г л ^ \
* Ро 4о бо 80 Скорость Vм/миы
Фиг. 15
вения нароста В связи с этим высота нароста изменяется по закону кривой обратного порядка: при и ¿°3, Л = 0; при ¿°2, к = к%тах <^кхтах
яо
во
70
§
$ во
50
¿4
3.-8- 91
с . • 1 -05/ / 3*03/ / о=о/б/ а-ооа
! 1 1 1 У
1
8 >9/ С/77 б/РО /7оЗедс//г> /5
£о ¿0 бО 60 /ОО
САОрОСтб V
Фиг. 16
*) В зоне температур наблюдается наибольшее рассеивание в показаниях ве-
личин угла В| и высоты Л нароста на резце, и тем больше, чем ближе температура резания к /,°»20°С. (фиг. 14, 15, 16).
фиг. 2г, 14 и 15). 'Угол нароста на резце 81 определяет действительный угол реЗания в процессе резания.
Скорость, соответствующая критической температуре исчезновения нароста на резце ¿°3, является критической скоростью резания Ук (фиг. 2г). При всех значениях 7<С У% нарост на резце образуется, при на-
рост отсутствует, и действительный угол резания 81 = 8 углу резца (фиг. 2г, 14, 16, 17).
Зависимость У3 от факторов резания определяется уравнением
ЬахЬУ
(1)
где С—коэфициент, учитывающий исходные свойства обрабатываемого материала и резпа, состояние граней и лезвия резца и условия резания (с охлаждением, без охлаждения). х^>у<С 1—показатели степени влияния толщины и ширины среза на скорость резания.
Ч?
I
меру* 51Ь0 5/г О
. \ } 1 ¿=75*
У >
1 ^ / 1 / 1 У 1. У у >
у ХГ7 г Хромистые С/ЬС/7(/ 6 ш &/ох/гажЭ.
У4*
го
чо
бо
Скорость V { Фиг. 17
во
V §
{ гС /а/ гого \ 7
ив-гбо \\ 5 75-
/ V
> / V/
Углеродистое С/7?£ли Г/яЗеЯи/п <Р-'9о° г* о™*, О-031 мт , ё • /у?- ¿¿> ****
-
го
^о во ао Фиг. 17а
Уравнение (1) имеет для практики определенное значение. Для любого заданного режима резания по уравнению (I) можно определить такую величину скорости г>3, выше которой нарост на резие всегда будет отсутствовать, что очень важно для обеспечения высокого качества чистоты обработанной поверхности.
Если температура резания изменяет коэфиииент трения на резце р. к действительный угол резания 8, (за счет нароста), а также изменяет и исходные свойства деформируемою металла, превращаемого в стружку Т'исх, ов» Нв и т. д.), то, несомненно, в связи с этим, должна изменяться и степень пластической деформации (усадка) стр)Жки, а вместе с ней должны изменяться и упрочнение (твердость) стружки, сила и напряжение резания.
Автором установлено, что в результате комплексного взаимодействия И*, Т'исх и 8! (фиг. 26, в, г), с возрастании температуры резания происходит изменение угадки стружки С, ее твердости Тн Упрочнение), силы резания Ря и условного напряжения по закону типичной кривой (фиг. 2д) или подобной ей. При резании сталей (табл. 1) нормальным рез-
дом (без фаски) типичная кривая имеет четыре фазы изменения в зонах температур: ¿2°; t%-fmp\ t°mp—fcaH; t°>fcaH').
'В первой фазе (t°—t°2) типичная кривая (фиг. 2д) резко понижается за счет уменьшения действительного угла резания ох (фиг. 1г) и снижения пластических свойств металла под влиянием явления синеломкости.
Во второй фазе (t2°—t°mp) кривая повышается, достигая второго максимума При t тру в результате увеличения угла и коэфициента внешнего трения на резце [х (фиг. 26, г).
В третьей фазе (t°m?—t°caH) кривая снова понижается под влиянием снижения [г и увеличения твердости деформируемого металла (фиг. 2в), вследствие активного проявления явления синеломкости.
В четвертой фазе типичная кривая остается (практически
неизменной (слабый уклон), благодаря взаимно противоположному действию коэфициента трения (снижение) и повышению пластичности деформируемого металла, превращаемого в стружку (фиг. 26, в, 3-^-7).
Если бы не было влияния нароста на резце, типичная кривая имела бы вид непрерывно понижающейся кривой в зоне температур tx°—fCUH (фиг. 2д, пунктирная линия). Именно поэтому вершина второго максимума на типичной кривой при t°mp всегда расположена ниже первого максимума, при ¿i°^20°C.
Для примера приведены экспериментальные кривые, полученные автором для стали 1035 (табл. 1). На фиг. 18 показана кривая изменения усадки стружки С в зависимости от скорости резания v9 при разных углах резания
3
I s %
О £0 4о бО во /оо /&о ikO
Сл ор ОС m 6 Yw/MUH.
Фиг. 18
Gn /03S //s-t?4 Резеи-ло&едит, â~ /3 л
П
О
• \ \ ,.... SïSQ'
резца. Подобная зависимость для силы резания Рг изображена на фиг. 19 и для напряжения резания аь—на фиг. 20. Аналогичный характер имеют кривые, полученные и для других сталей (табл. 1).
Резкое выражение фаз типичной кривой зависит от исходных свойств обрабатываемого металла (табл. 1), угла резания и температуры резания.
Взаимосвязь между усадкой и твердостью стружки (по времени) видна, например, из сопоставления фиг. 21 и 22 для стали 5120. То же наблю дается и для других сталей (табл. 1).
Установлено, что скорость резания в процессе резания тугоплавких металлов (сталь, табл. 1) является лишь температурным фактором. В зависимости от пределов скорости, т. е. зоны температур, можно получить
1) Температура на резце ^ 20°С, /°а ж 400°С, /°тр ^ 580—600°С и еСин — температура в стружке ЗСО—в зависимости от исходной твердости стали [2].
14. Изв. ТПИ, т. 68, в. 1.
/оо\
во
ÓO
4с
S
-о—
S* во* Cm. /ÛJS f/ß =/?4 / /^езеи-^oâeâi/m. 13
зо 4о ÓO <зо /ÛO
CWopoc/7?ó V г*/ми*
/го
/4 о
Фиг. 19
гао\
Í г4о
Ъ
„ 200 %
/20
S=90°è > .^îo
VJLT -O-
tïîè* Cm /035 He <P-?0a y г-о/ a* 034 Резец - /?o5eâum ß ~ f 3
8--во*
го Ьо во во /оо
С*0росто V м/мин
<20
/4а
Фиг. 20
\ Cm. S i SO 0 a*Q36: 8=o,s X 03/ 09 Ù 0 3/ 0.9 &6/cmpopé#cyui cmajjb
\ S- 90"
, \ \J X
S = 75" S'60° X
1
о 20 Uo бо до /оо /го Охоросгпб VM/muh.
210 Фиг-21
любую фазу изменения типичной кривой (фиг. 2д). Высокоскоростное резание есть частный случай ¡резания при высоких температурах, свышге
тр
(фиг. 2).
Не обнаружено заметного влияния скорости резания, как скорости пластической деформации, на усадку и твердость (упрочнение) стружки, на силу и напряжение резания, на момент исчезновения нароста на резце и на другие явления процесса резания.
Изменение усадки стружки и силы резания по закону типичной кривой (фиг. 2д) позволяет вскрыть причины существующих противоречий в вопросах о влиянии скорости резания на силу резания, на усадку стружки в о влиянии на усадку толщины среза ([5; 7; 8; 9; 10] и многие др.).
ho
35
К*
1,
г
г
25
С™ Sf20; //в -135 ¥=45*; 2*0.1 О а=0.36; 6=0.8 х аз/ 09 Л О 3/ 0 9
* чр ^¿'90' X 1 \
б=бо
ВО Ьо во 80 /оо Слоростб Vм/jvvrt
Фиг, 22
?20
Наблюдаемые, часто противоречивые, отклонения в экспериментах у многих исследователей зависимости Pz~f{v) объясняются исключительно различием пределов температурного режима резания, в которых проводились те или иные опыты. В зависимости от этих пределов все существующие опыты по силам резания (для железа и стали) хорошо укладываются в соответствующие фазы типичной кривой (фиг. 23). Линии на фиг. 23 показывают пределы температурного режима резания в данных исследованиях.
Толщина и ширина среза, как и скорость резания, влияют на усадку и твердость стружки и на напряжение резания лишь как температурные факторы. В зависимости от их сочетания может быть получена также любая зона изменения температур, а следовательно, и любая фаза изменения усадки стружки, ее твердости и напряжения резания по типичной кривой (фиг. 2д). [2]. Отсюда вытекает частный закон: для данного обрабатываемого материала и угла резания резца, режимам резания с постоянной температурой соответствует неизменное состояние обрабатываемого металла (abi as. Нв\ постоянная величина коэфициента трения ^ на гранях резца, постоянный действительный угол резания о1 (определяемый углом нароста), постоянная усадка С и твердость Тн стружки и постоянное напряжение резания av.
На фиг. 24 показана серия типичных кривых усадки стружки для стали 5120. Независимо от толщины среза и скорости резания, каждому значению усадки С = const взятому на одноименных фазах (ветвях) кривых соответствует определенная температура резания t° = const, и наоборот. Так, например, линия, касательная к вершинам „горба" (второго максимума)
кривых на фиг. 24, соответствует постоянной критической температуре Р*тр (580—600°С) и постоянной величине усадки
i ъ <* 1 { Т^ипичнор яри&ая V Силбг резан (ун Mfllta
мп ер о тура 1 f, г 2 i m о ^ Си.т
Cjp&3ö/ npi/SoO / 2 4
tfcc/redoScrmesrc/ /7редел6? опб/mo&
//'J XOStbCOH . УбЛ/ОCm rtUH Teüj70p МЛОЛШГПОК Шлезингер УсауеЗ Оеллер гре/t /7&т#ой rfogpoH Окочи O/tousu JJe&eHjemmep ßtfJZ/tUXC и cpuJ Д. C/*vsr> <s /7eu5 C/tvGtfmo* ts <Seüd &0Сл70н с /Траус 6 о/?/? их с Зоре& rfauscspi/н See проз S Эр НС/г? /Глушин Еремин
—>
I
.. .
i 1
Фиг. 23
Существующее мнение о том, что с увеличением толщины среза а усадка стружки С уменьшается [Б], есть частный случай резания в зоне
1 X \ \ С/39. S=90m t = /0**M <f*45' У' 5* 1*0.1 О S'<2=0.3/мм * 0.22 OJ6 А 0/1 OOS • 0.05S O.Ok
\ 3/ а = о.гб
\ Cwtw О'СО </6etr? 9 SJrecn J ¿004 I
\
\
ч.. < 1 ./fedeäum
САорос/пб резэкия V M/Mi/fi
Фиг. 24
»
температур —¿°2 или t0mp—fcuн (фиг. 2д, 21, 24), т. е. уменьшение усадки в первой и третьей фазах типичной кривой под влиянием температуры, но не толщины среза.
Автором установлено, что твердость Т» по времени (по маятнику Герберта) является достаточно надежной характеристикой упрочнения металла в стружке при резании и в образце при пластическом сжатии* Упрочнение стружки при резании и образца при сжатии зависит от степени пластической деформации (усадки) и от исходных свойств деформируемого металла (табл. 1). Не обнаружено заметного влияния „отдыха" на процесс упрочнения стружки и не замечено проявления „насыщения" упрочнения стружки, несмотря на изменение скорости резания от 0,0007 до 640 лцмин и усадки стружки от С =1,3 до С =10.
Между твердостью (по времени) и усадкой стружки при резании сталей (табл. 1) имеется определенная зависимость вида
Тн — Т0 С", (2)
то же при пластическом сжатии образцов
Тн = То (3)
где 70 и Т0'—константы, характеризующие исходные свойства деформируемого металла, соответственно при резании (Т исх) и при сжатии (ТйСХ)» Константы То и То названы условной твердостью.
При одинаковой степени деформации (усадке) образца и стружки твердость стружки при резании всегда выше, чем у образца при пластическом сжатии, так как 7*0>7'о. Можно предполагать, что это происходит в результате различных условий течения деформируемого металла в том и другом процессе. Значения Т0> V0 и /га, тп' приведены в табл. 1.
Между зависимостью (2) и (3) существует та же аналогия, как и в закономерностях политроп напряжения о при сжатии для предварительно упрочненного (4) и неупрочненного образца (5) (Большанина М. А., Куннн Н. Ф. и др. [4]).
(4)
а = а0' С' (5)
Для примера на фиг. 25 показана зависимость твердости стружки Т от усадки С для углеродистых сталей 1010 и 1040 (табл. 1). Несмотря на значительное изменение режимов резания, расположение точек свидетель-
г
г
Ъ'ЗР
Г77 - О Г9 С/77 /040 »
о
—Ир« Ст /О/О ¿' о V* О/-/30 90*
т «■ о/9 О = О Я/ 4'/45
/5
Усо&но X
Фиг. 25
ствует о том, что твердость стружки зависит только от усадки, т. е. от стейенй упрочнения данного металла. Аналогичные зависимости при пластическом сжатии для тех же сталей приведены на фиг. 26.
Зная закономерность изменения и взаимосвязь явлений процесса резания, не трудно объяснить закономерность изменения и чистоты обработанной поверхности (фиг. 2е), так как последняя представляет по существу, завершающее явление процесса резания. ^ ^ Основной характеристикой чистоты поверхности являются величины неровностей и шероховатостей на обработанной поверхности. При несво-
to
35
о 30
о
ъ
ЛЬ 2Ь
С*.
<*>
к
1 1QUO О
t'O-JJ^J / / 1010 о
/Т'= 222 t ° < с / Wc am up
f
f$
2
¿/с а а Фиг. 26
Образца X
(¡одном резании величина неровностей Н слагается из высоты остаточных гребешков ТОСт и высоты шероховатостей на поверхности среза Н»ер.
И — Ноет + И
шер
(6)
При свободном резании
Н-=Н
шер
Ност—геометрическая характеристика чистоты поверхности. Она зависит от профиля резца в плане (г, <р, <р,), состояния режущей кромки и величины подачи S. Ншер—является не только геометрической, но и физической характеристикой чистоты среза, так как зависит от температурного режима резания и исходных свойств обрабатываемого материала.
Как и все явления процесса резания (нарост, усадка и твердость стружки, коэфицйент трения на резце и т. д.), чистота поверхности изменяется под влиянием температуры резания (на резце и в стружке), воздействующей на величину шероховатостей Ншер. Влияние температуры на величину Ншер осуществляется через изменение трения на задней грани резца (или нароста), степени пластической деформации (усадки) стружки, высоты нароста на резце и сдвигов на поверхности среза.
В результате этого закономерность изменения неровностей Н с повышением температуры резания выражается кривой (фиг. 2е), имеющей максимум при температуре ¿°2, когда нарост на резце (нормальной геометрии, без фаски) достигает высоты h2max (фиг. 2г). Для подтверждения на фиг. 27 приведены экспериментальные кривые изменения неровностей Н в зависимости от скорости резания v (а следовательно, и температуры, фиг. 2а, 3) и величины подачи S для стали 1035 и 1040 (табл. 1). Чем меньше S, тем ниже //, но тем выше v% соответствующая максимуму кривой. Для всех исследованных сталей (табл. 1) кривые имеют одинаковый (типичный) характер, показывающий четыре фазы изменения неровностей Н (фиг. 2е, 27) в определенных зонах температур.
Первая фаза (при ¿!О^20С°). Высота неровностей Н = const я зависит от сдвигов (надрывов) на поверхности среза, величина которых определяется степенью деформации (усадкой) стружки.
Вторая фаза (¿°1~Высота неровностей Н возрастает до Я2яи«, в результате увеличения высоты нароста и коэфициента трения (фиг. 2г, б), уменьшения срыва вершин гребешков {Еост) под влиянием резкого снижения усадки стружки 3) (фиг. 2д).
Третья фаза (¿°2—где последняя соответствует появлению зеркального блеска на поверхности среза). Высота Н уменьшается до НАер, сначала резко—под влиянием снижения высоты нароста (фиг. 2г) и увеличения срыва вершин гребешков с возрастанием усадки стружки до тем-
90
>
О
Ч
V бо
ъ &
о < г* * 5- оии о /О 4 О ^ X го35' •¿= о.4 - нлг
Шл*
X ¡¿ЬК « • • <>Н 1 1 1 ~—
о. о д— --^-^ т
Фиг. 27
пературы 1°тр (фиг. 2д), затем медленно—за счет снижения коэфициента трения ^ (фиг. 26) и уменьшения Ншер на поверхности среза.
Четвертая фаза Поверхность среза имеет зеркальный блеск.
Шероховатости Ншер= 0. Высота неровностей Н—Нзер^^Носту В реЗуЛЬ-тате влияния срыва вершин гребешков от усадки стружки С™^ (фиг. 2д).
Чем больше угол резания резца 8, тем больше усадка стружки тем меньше Нзерг и наоборот. Для получения чистоты поверхности наивыс-
6 О 80 ' о О '30
С* ор ост Ь V
Фиг. 28
/во
шего качества, характеризуемой зеркальным блеском и высотой неровностей Н—Ншер = 0, необязательно иметь высокую скорость резания, малую подачу и глубину резания, важно иметь температуру резания и угол резца в плане р, = 0°. С этой точки зрения, выгодно работать резцами с отрицательными передними углами и большими подачами. Из фиг. 28 отчетливо видно, что чем больше величина подачи 5,
3) Обнаружено интересное явление срыва вершин гребешков самой стружкой, вследствие усадки последней по ширине. Чем больше продольная усадка стружки, тем больше ее усадка по ширине, тем больше срыв гребешков, и наоборот [2].
тем выше температура резания, тем меньше скорость резания, соответствующая Ншер —0, и наоборот.
Рассмотренное положение, вытекающее из самой сущности явлений процесса резания, отнюдь не отвергает применения на практике высокоскоростного резания, при температурах При этом чистота поверхности среза хотя и остается фактически неизменной, так как Ншер — 0, однако производительность процесса резания увеличивается пропорционально возрастанию скорости.
Заключение
В итоге проведенного исследования процесса резания железоуглеродистых сплавов получены следующие результаты.
Во-первых, установлена закономерность изменения: коэфициента внешнего трения на гранях резца геометрии нароста на резце (угла §1 и высоты К), усадки стружки С и ее твердости Г«, силы Р2 и напряжения резания а,, и величины неровностей на обработанной поверхности Н.
Во-вторых, найдена единая взаимосвязь явлений в процессе резания и основная причина их изменения—температура.
Все это позволяет не только объяснить сущность явлений процесса резания, вскрыть причины существующих противоречий в современной литературе по резанию, но и наметить пути к дальнейшему исследованию
процесса резания. *
ЛИТЕРАТУРА
1. Е р е м и н А. Н. Профилографирование поверхностей методом прерывистого ощупывания. .Изв. ТИИ", т. 59, вып. 1, 193^.
'2. Еремин А. Н. Деформация, твердость, сила и чистота поверхности в процессе резания, „Изв. ТПИ", 1947.
3. 3 и ми н Ю. П. Исследование высокоскоростного резания стали. „Изв. ТПИ", 1948.
4. Кузнецов В. Д. Физика твердого тела. Том II, 1941
5. Кузнецов В. Д. Физика твердого тела. Том III, 1944.
Кунин Н. Ф. Зависимость коэфициента внешнего трения раскаленного железа по чугуну от различных факторов. ЖТФ, т. 3, 1933.
7. КривоуховВ. А. Деформирование поверхностных слоев металла в процессе резания. Машгиз, 1945.
8. КаширинА. И. Исследование вибраций при резании металлов. Изд. АН СССР, 1944.
9. К а с ь я н М. В. Скорость резания при оптимальной деформации стружки. „Изв. ГИИ-. книга № 14, 1941.
¡0. К л у ш и н М. И. и Фель дштейн Э. И. Влияние скорости на усилия резания при положительных и отрицательных передних углах инструмента. „Станки и инструмент,- № 7—8, 1945.
11. Л аш к о Н. Ф. и др. Пластическая деформация сжатия при высоких температурах. ЖТФ, т. 7, 182, 1937.
12. Р о з е н б е р г А. М. Экспериментальное исследование процесса образования металлической стружки. „Изв. СТИ", т. 51, вып. 4. 1929.
