Физическая сущность процесса резания (стружкообразование)

Процесс резания состоит в отделении от поверхности заготовки слоя материала (припуска) и превращении его в стружку. Первый, кто задался вопросом: как это происходит?, был наш соотечественник, профессор Петербургского института корпуса горных инженеров И.А.Тиме. В 1884 году он опубликовал работу “Об образовании стружек при пластичных материалах”. В ней И.А.Тиме построил модель стружкообразования при резании пластичных материалов (металлов). Процесс резания можно представить как внедрение режущего клина в материал заготовки.

Режущий клин силой РР продвигается справа налево. На пути режущего клина находится слой припуска, который режущий клин срезает, отделяет от заготовки. Спрашивается: как очередной кусочек материала заготовки, составляющий с заготовкой единое целое, отделяется от заготовки и превращается в кусочек стружки? Для теоретического решения этого вопроса (для построения упрощенной, удобной для анализа, модели рассматриваемой ситуации) были сделаны допущения:

· Обрабатываемый материал имеет среднюю пластичность. Большинство металлических сплавов имеют такую пластичность.

· Скорость резания (скорость перемещения режущего клина) не велика (< 20 м/мин). Во времена И.А.Тиме только на таких скоростях и резали.

· Режущий клин абсолютно острый. Конечно, радиус закругления вершины режущего клина чуть больше нуля (5…10 мкм), но в сравнении с толщиной срезаемого припуска (1…3 мм) режущий клин можно считать абсолютно острым.

· Трение стружки по передней поверхности режущего клина и трение задней поверхности режущего клина по обработанной поверхности отсутствует. Это единственное предположение, не соответствующее действительной физике процесса резания. Трение стружки о режущий клин и трение режущего клина об обработанную поверхность весьма велико. Но с учётом сил трения модель процесса резания получится сложной, не удобной для анализа; процесс отделения элемента стружки от заготовки потеряет наглядность.

· Схема резания свободная. Что это значит? Свободное резание – это резание, при котором режущий клин режет одной режущей кромкой. Такое в практике обработки резанием случается редко. Как правило, резец, зуб фрезы, протяжки, сверла производит большую часть работы резания главной режущей кромкой. Но одновременно с ней некоторую, небольшую, работу резания совершает и вспомогательная режущая кромка (может быть и не одна). Процессы, происходящие на главной и вспомогательной режущих кромках, накладываются друг на друга. Чтобы пронаблюдать в чистом виде, как режет главная режущая кромка, надо организовать процесс так, чтобы резание происходило только ею. В рассматриваемой схеме это сделать просто. Предположим, что это процесс строгания и режущий клин шире, чем заготовка. Тогда широкий резец будет строгать заготовку одной только главной режущей кромкой.

Если все пять условий соблюдены, то воздействие режущего клина на заготовку сосредотачивается в т. н. плоскости сдвига (скалывания) AB.

Режущий клин сжимает слой материала перед собой, деформирует его упруго, а затем сдвигает его пластически по плоскости сдвига AB, как показано на рисунке. Так отделяется элемент стружки. Вслед за ним точно так же отделяется второй элемент стружки, затем третий и т. д.

Поверхностный слой заготовки – припуск превращается в стружку. Стружка сходит (скользит) по передней поверхности режущего клина.

Эти теоретические рассуждения были проверены экспериментально. При резании на малых скоростях толстых припусков наблюдалась стружка, похожая на ту, что показана на рисунке. Она состояла из крупных, хорошо различимых невооружённым глазом элементов, слабо связанных между собой. Связь между элементами настолько слаба, что стружка при минимальных внешних воздействиях распадается на отдельные элементы. Такая стружка получила название элементная.

Если резать более тонкие слои металла на больших скоростях, то элементы стружки получатся мельче и будут достаточно прочно связаны между собой. Ступеньки на внешней стороне стружки хорошо различимы, но на отдельные элементы стружка не разваливается. Такая стружка называется ступенчатая или суставчатая.

При резании пластичных металлов на больших скоростях стружка формируется по тому же самому механизму, но её элементы не различимы. Стружка сходит по передней поверхности режущего клина в виде сплошной, как правило, завитой ленты. Это сливная стружка. Сливной стружку назвали потому, что она как бы сливается непрерывной тонкой струйкой по передней поверхности режущего клина.

Совершенно по-другому образуется стружка при обработке резанием хрупких материалов (чугун и т. п.).

Режущий клин упёрся в край заготовки и давит на неё с большой силой Р. Материал заготовки хрупкий (чугун), пластический сдвиг в нём не возможен. У вершины режущего клина в материале заготовки возникает трещина. Режущий клин пытается сдвинуть поверхностный слой заготовки справа налево и приподнять его вверх. Поэтому трещина, возникшая у его вершины, будет так же расти влево и вверх. Когда она выйдет на поверхность заготовки, от заготовки отколется кусочек. Это будет кусочек стружки. Такая стружка называется стружкой надлома или сыпучей стружкой. После отделения кусочка стружки, режущий клин более-менее свободно перемещается вперёд (влево), утыкается в припуск и у его вершины возникает новая трещина и т. д.