Стружка При Резании Металла

Обработка металлов резанием является наиболее распространенной и трудоемкой частью работ, совершаемых в машиностроении. Она сопровождается многими физическими явлениями, знание которых имеет исключительно важное значение для повышения ее эффективности и качества.

Основоположниками развития науки о резании явились русские ученые конца XIX и начала XX столетия И.А. Тиме, К.А. Зворыкин, Я.Г. Усачев, вскрывшие сущность механизма образования стружки и установившие зависимость сил сопротивления резанию и температуры нагрева инструмента от условий работы. Дальнейшим прогрессом учения о резании послужили глубокие и всесторонние исследования советских ученых В.Д. Кузнецова, В.А. Кривоухова, П.М. Беспрозванного и многих других, которые в тесном содружестве с новаторами производства подготовили условия высокопроизводительной обработки деталей на металлорежущих станках. Далее перечислим явления, сопровождающие процесс образования стружки при резании металла.

При обработке пластичных металлов (сталей и большинства цветных металлов и их сплавов) длина стружки LС (рис. 1, а) уменьшается по сравнению с длиной хода инструмента LО, а ее толщина аС становится больше толщины срезаемого слоя аО. Это явление называется усадкой стружки и характеризуется коэффициентом усадки К:

К = LО/LС

Коэффициент усадки всегда больше единицы и для сталей колеблется примерно в пределах 1,5...2. По его величине можно косвенно судить о степени деформации элементов стружки и количестве работы, расходуемой на резание.

Большей усадке подвергается стружка скалывания, образующаяся при сравнительно небольших значениях скорости резания и переднего угла инструмента. Элементы такой стружки почти полностью отделяются, но достаточно прочно связаны друг с другом. В промежутках между скалыванием соседних элементов сила сопротивления резанию резко уменьшается, что способствует возникновению вибраций, являющихся одной из причин выкрашивания кромок резца и увеличения шероховатости обрабатываемой поверхности,

Другая картина наблюдается при образовании сливной стружки, которая приобретает меньшую усадку, чем стружка скалывания. В этом случае сила сопротивления металла резанию более постоянна, так как каждый элемент стружки при высокой скорости резания не успевает полностью отделиться. В срезанном слое происходят в основном сдвиги металла. Резание протекает более спокойно. Чистота обработанной поверхности получается более высокой. На образование сливной стружки расходуется меньше энергии, чем на стружку скалывания.

Таким образом, величина усадки и вид стружки при обработке пластичных металлов могут служить внешними показателями рационально выбранного режима резания и геометрии инструмента.

При обработке пластичных металлов с небольшой скоростью резания на передней поверхности резца образуется небольшой комочек металла, называемый наростом (рис. 1, б).

Нарост представляет собой спрессованные частицы обрабатываемого металла, прочно приваренные к передней поверхности резца. Образование его объясняется застоем стружки. Так как наибольшему уплотнению подвергаются ее слои у режущей кромки, то они в результате трения задерживаются (застаиваются) на передней поверхности, образуя нарост. Он предохраняет режущую кромку от истирания, увеличивает действительный передний угол үД, что облегчает процесс резания.

Однако образование нароста нежелательно при чистовом фрезеровании ввиду увеличения шероховатости обработанной поверхности. По мере достижения предельной величины нарост обволакивает режущую кромку и срезается ею. При этом часть его вдавливается в обработанную поверхность, увеличивая ее шероховатость.

Рис. 1. Схема усадки стружки (α); нарост и центр давления стружки (б)

Нарост возникает не во всех случаях. При большой величине переднего угла, при низкой и большой скорости резания конструкционных сталей (до 2-3 м/мин и свыше 80 м/мин) нарост не удерживается на передней поверхности зуба фрезы. Это объясняется тем, что при большом значении переднего угла уменьшается усадка и степень деформации стружки. Если скорость резания мала, то в результате низкой температуры нарост не приваривается к зубу фрезы и уходит со стружкой, а при большой скорости высокая температура размягчает его, и он также уносится стружкой.

Кроме того, избежать нароста можно полированием или доводкой передней поверхности резца или зуба фрезы, применением смазывающе-охлаждающих жидкостей с большей смазывающей способностью, уменьшением подачи и увеличением переднего угла.

Резец давит не только на срезаемый слой металла, но также на обработанную поверхность. Последняя, уплотняясь, приобретает повышенную твердость (примерно в 1,5 раза выше твердости материала детали). Это явление называется обработочным отвердеванием или наклепом.

Глубина наклепанного слоя возрастает с увеличением подачи, затуплением инструмента и уменьшается с увеличением скорости резания. Увеличению наклепанного слоя способствует также встречное фрезерование. Чем мягче сталь, тем она более склонна к обработочному отвердеванию. Хрупкие металлы, такие как серый чугун, почти не подвергаются наклепу.

При черновой обработке глубина наклепанного слоя может достигнуть 0,5 мм, при чистовой - измеряется сотыми долями миллиметра.

Наклепанная поверхность, имея большую твердость, обладает более высокой износостойкостью, но в то же время более хрупка; при знакопеременных нагрузках она склонна к образованию поверхностных трещин.

С точки зрения процесса резания глубина резания при чистовом фрезеровании должна быть больше глубины наклепанного слоя. В этом случае зуб фрезы как бы подрезает этот слой изнутри и меньше изнашивается. Этому также способствует применение попутного метода фрезерования.

При резании пластичных металлов стружка стремится выбрать на передней поверхности резца лунку на некотором расстоянии С (см. рис. 1, б) от режущей кромки. Центр лунки, испытывающей наибольшее давление стружки, называется центром давления.

Удаление центра давления стружки от режущей кромки объясняется наличием нароста, а также тем, что стружка имеет радиус кривизны и опирается на переднюю поверхность на некотором расстоянии от режущей кромки, образуя перед резцом подобие щели.

С увеличением толщины стружки (подачи) и уменьшением переднего угла центр давления удаляется от режущей кромки. Благодаря этому уменьшается температурное и силовое напряжение режущей кромки, способствующее повышению стойкости инструмента.

Выполняя резание металлов образуется стружка, которая подразделяется на три вида - сливная, скалывания и надлома.

Сливная стружка (рис. 2, а) получается обычно при резании пластичных и вязких металлов. В этом случае стружка не разделяется на отдельные части и имеет вид сплошной витой ленты.

Стружка скалывания (рис. 2, б) образуется при резании среднетвердых металлов. Эта стружка на наружной поверхности имеет явно выраженные зазубрины с видимыми плоскостями скалывания.

Стружка надлома (рис. 2, в) получается при обработке хрупких металлов типа чугуна и бронзы и состоит из мелких кусочков металла.

Рис. 2. Виды стружек

При резании толщина стружки получается больше толщины срезаемого слоя (см. рис. 1), и это различие будет тем значительнее, чем меньше угол сдвига. Следовательно, определив отношение толщин стружки и срезаемого слоя, можно приближенно оценить деформацию металла в зоне стружкообразования. Отношение толщины стружки α_с к толщине срезаемого слоя α₀ называется коэффициентом утолщения стружки К_α. Если резание прерывистое, то можно определить отношение длины срезаемого слоя (длина пути, пройденного зубом, l) к длине полученной стружки l_с. Это отношение называют коэффициентом укорочения стружки К_l. Коэффициент уширения стружки К_b - это отношение ширины стружки b_с к ширине срезаемого слоя. Так как при пластической деформации объем удаленного металла остается постоянным, то можно записать:

α_с/α₀ = l/l_с

Как известно, при резании хрупких металлов образуется стружка надлома и коэффициент утолщения стружки имеет небольшое значение (К_α=1...3); в случае же обработки пластичных металлов (например, меди) значение К_α может достигать 1₀. С увеличением скорости резания коэффициент утолщения стружки снижается.

Коэффициенты утолщения, укорочения и уширения стружки в ряде случаев используются для оценки процесса резания. Существуют методики, в соответствии с которыми по этим коэффициентам можно определять величину силы резания, необходимую для образования стружки, степень деформации поверхности и т. д.