Виды стружки при резании. Образование стружки

Процесс резания (стружкообразования) - сложный физический процесс, сопровождающийся большим тепловыделением, деформацией металла, изнашиванием режущего инструмента и наростообразованием на резце. Знание закономерностей процесса резания и сопровождающих его явления позволяет рационально управлять этим процессом и обрабатывать детали более качественно, производительно и экономично.

При резании различных материалов могут образовываться следующие виды стружек: сливные (непрерывные), скалывания (элементные) и надлома (рис.1).

Типы стружек: а - сливная, б - скалывания, в - надлома.

Сливная стружка образуется при резании вязких и мягких металлов (мягкая сталь, латунь) с высокой скоростью. Чем больше скорость резания и вязкость обрабатываемого материала, а также меньше угол резания и толщина среза и выше качество смазочно-охлаждающей жидкости, тем стружка ближе к сливной.

Стружка надлома образуется при резании хрупких металлов (бронзы, чугуны). Такая стружка состоит из отдельных, почти не связанных между собой элементов. Обработанная поверхность при образовании такой стружки получается шероховатой, с большими впадинами и выступами. В определенных условиях, например при обработке чугунов средней твердости, стружка надлома может получиться в виде колец. Сходство ее со сливной стружкой только внешнее, так как достаточно сжать такую стружку в руке, и она легко разрушится на отдельные элементы.

Стружка скалывания занимает промежуточное положение между сливной стружкой и стружкой надлома и образуется при обработке некоторых сортов латуни и твердых сталей с большими подачами и относительно малыми скоростями резания. С изменением условий резания стружка скалывания может перейти в сливную, и наоборот.

В целях создания наилучших условий для отвода стружки из зоны резания необходимо обеспечить ее дробление или завивание в спираль определенной длины.

Стружка, завитая в спираль длиной до 200 мм, наиболее полно отвечает требованиям, предъявляемым к ней при работе на токарных станках с ЧПУ.

Дробленую стружку в виде колец и полуколец диаметром 10-15 мм и более следует рассматривать как хорошую. Эта стружка, несмотря на то, что занимает меньший объем и легче транспортируется, снижает стойкость инструмента.

Мелкодробленая стружка должна рассматриваться как удовлетворительная. Помимо снижения стойкости резцов такая стружка, разлетаясь во все стороны, попадает на поверхности станка, нарушает нормальную работу его узлов.

Формирование стружки в виде непрерывной спирали, прямой ленты и путаного клубка не удовлетворяет требованиям обработки деталей на станках с ЧПУ и поэтому должно быть исключено.

Наиболее простым и доступным, но имеющим ограниченные возможности является способ дробления или завивания стружки путем подбора определенных режимов резания и геометрических параметров инструмента. Рекомендуемая область применения данного способа - черновое и обдирочное точение при тяжелых условиях резания.

При черновом и получистовом точении широко применяют способы завивания или дробления стружки с помощью различных препятствий для ее схода, формируемых на передней поверхности резца в виде лунок, канавок, порожков или с помощью накладных стружколомов различной формы.

Под действием режущего инструмента срезаемый слой материала подвергается сжатию. Процессы сжатия (как и процессы растяжения) сопровождаются упругими и пластическими деформациями. Режущий инструмент деформирует не только срезаемый слой, но и поверхностный слой обрабатываемого материала. Глубина деформации поверхностного слоя зависит от различных факторов и может достигать от сотых долей до нескольких миллиметров.

Под действием деформации поверхностный слой упрочняется, увеличивается его твердость и уменьшается пластичность, происходит так называемый наклеп обрабатываемой поверхности. Чем мягче и пластичнее обрабатываемый металл, тем большему наклепу он подвергается. Чугуны обладают значительно меньшей способностью к упрочнению, чем стали. Степень упрочнения и глубина наклепа увеличиваются с увеличением подачи и глубины резания и уменьшаются с увеличением скорости резания. Глубина наклепа примерно в 2-3 раза больше при работе затупленным режущим инструментом, чем при работе острозаточенным. Смазочно-охлаждающие жидкости при резании уменьшают глубину и степень упрочнения поверхностного слоя.

При некоторых условиях резания на переднюю поверхность режущей кромки налипает обрабатываемый материал, образуя нарост. Он имеет клиновидную форму, по твердости в 2-3 раза превышает твердость обрабатываемого металла. Являясь как бы продолжением резца, нарост изменяет его геометрические параметры: участвует в резании металла, влияет на результаты обработки, изнашивание резца и силы, действующие не резец. При обработке нарост периодически разрушается (скалывается) и вновь образуется. Часть его уходит со стружкой, а часть остается вдавленной в обработанную поверхность.

Отрыв частиц нароста происходит неравномерно по длине режущего лезвия, что приводит к мгновенному изменению глубины резания. Эти явления, повторяющиеся периодически, ухудшают качество обработанной поверхности, так как вся она оказывается усеянной неровностями. С увеличением пластичности обрабатываемого металла размеры нароста возрастают. При обработке хрупких материалов, например чугуна, нарост может и не образоваться.

Образование нароста улучшает условия резания при выполнении черновой обработки.

Классификацию предложил И. А. Тиме: стружка сливная (а), скалывания или суставчатая (б), элементная (в), и надлома (г).

Рисунок 3.3 – Типы стружек

Стружка скалывания состоит из отдельных элементов. Поверхность стружки, контактирующая с передней поверхностью резца гладкая. Она образуется в результате обработки сталей и других пластичных материалов при большой толщине срезаемого слоя, относительно низкой скорости и небольшом переднем угле лезвия.

При уменьшении толщины среза, повышении скорости резания и увеличении переднего угла отдельные элементы стружки станут менее отчетливыми и будут сходить без зазубрин на ее внешней стороне (сливная стружка).

Если увеличить толщину среза, уменьшить скорость резания и передний угол g, отдельные элементы стружки будут менее связанными, то есть образуется элементная стружка. Эти три вида стружки получаются при обработке пластичных материалов.

В случае обработки хрупких материалов при большой толщине среза и больших углах g происходит вырывание или откалывание хрупких частиц металла неправильной формы.

Получаемая при этом стружка называется стружкой надлома. Она образуется при обработке чугуна, который плохо сопротивляется растяжению.

При больших углах g в срезаемом слое появляются напряжения отрыва, которые способствуют выламыванию кусков металла. Если увеличить скорость резания, при обработке чугуна образуется элементная стружка, а при очень высоких скоростях чугун дает сливную стружку, хотя по сравнению со стальной стружкой прочность ее низка.

Классификация И.А. Тиме не потеряла своего значения и в наше время, хотя и подверглась значительной конкретизации. Например: при обработке стали известно свыше 30 разновидностей стружки.

3.3 Механизмы образования стружки при свободном прямоугольном резании

Свободная поверхность стружки всегда неровная, обычно на ней заметны мелкие волны или зазубрины. Даже на прочной сливной стружке часто можно наблюдать трещины, разрывы. Поскольку полное описание механизма образования стружки сложно для анализа напряжений и деформаций при резании, реальный процесс стружкообразования заменяют его упрощенной моделью.

Не принимается во внимание искажение формы полученных листов реальной стружки и увеличение ее ширины; ее поперечное сечение представляют в виде прямоугольника с высотой, равной средней толщине стружки и шириной, равной первоначальной ширине резания.

Режущий клин действует на срезаемый слой толщиной а на контактной площадке шириной с. Сила R 1 , с которой инструмент передней поверхностью давит на срезаемый слой получила название силы стружкообразования. Линия ОК разграничивает области сжимающих (слева от ОК) и растягивающих (справа от ОК) напряжений в обрабатываемом материале ниже поверхности резания.

Рисунок 3.4 – Зоны первичной и вторичной деформации при превращении срезаемого слоя в сливную стружку

Зона ОАВ N О , расположенная перед передней поверхностью инструмента является зоной первичной деформации. Она имеет форму клина с вершиной, совпадающей с вершиной инструмента. Нижняя граница ОА зоны 1 вогнута и пересекает продолжение поверхности резания. По длине она в 2 - 4 раза больше выпуклой верхней границы ОВ зоны I. Обрабатываемая поверхность плавно сопрягается со свободной стороной стружки по линии АВ . Правее линии ОВ находятся зерна стружки, а левее линии ОА – недеформированные зерна материала срезаемого слоя. Зерно материала срезаемого слоя, перемещаясь относительно инструмента со скоростью v , проходит по траектории своего движения (кривая FQ ) и сильно деформируется. Деформация зерна заканчивается в точке Q , и оно приобретает скорость v с ,равную скорости стружки.

Линией ОА показана поверхность сдвига (скольжение), на которой сдвигающие напряжения  равны пределу текучести  с материала на сдвиг, то есть  =  с. Вся зона ОАВ N О делится на подобные поверхности, на каждой из которых сдвигающие напряжения равны пределу текучести материала, уже получившего упрочнение в результате предшествующей деформации.

Последняя деформация сдвига обозначается на рисунке линией ОВ . На ней сдвигающие напряжения  равны пределу текучести  с  на сдвиг материала, окончательно упрочненного в результате превращения срезаемого слоя в стружку.

Деформирование срезаемого материала при этом было бы законченным, если бы отсутствовало трение между контактной поверхностью стружки и поверхностью инструмента. Поскольку трение между указанными поверхностями имеется всегда, зерна стружки, находящиеся в непосредственной близости от контактной поверхности стружки, продолжают деформироваться и после выхода их из зоны первичной деформации. Так возникает зона II вторичной деформации стружки, ограниченная передней поверхностью инструмента и линией О N Д . Ширина ОД этой зоны приблизительно равна половине ширины площадки контакта С, а максимальная ее толщина D 1 составляет примерно 0,1а с .

Степень деформации зерен во II зоне может в 20 и более раз превышать среднюю деформацию стружки.

Размеры зоны вторичной деформации и степень деформации зерен в этой зоне определяются силами трения на контактных поверхностях стружки и инструмента. Чем меньше силы трения, тем меньше размеры зоны II и деформация в ней зерен. При уменьшении a , увеличении g и применении СОЖ с сильно выраженными смазочными свойствами зона II практически исчезает.

При g , a , v , используемых в производственных условиях, протяженность FQ первичной деформации резко сокращается, а ее границы ОА и ОВ сдвигаются, приближаясь к линии ОЕ , наклонной к плоскости резания под углом b . Это позволяет считать, что сдвиговые деформации локализуются в тонком слое толщиной D x , а семейство плоскостей скольжения можно заменить единственной плоскостью ОЕ , называемой условно плоскостью сдвига. При этом процесс превращения срезаемого слоя в стружку можно представить как процесс последовательных сдвигов тонких слоев обрабатываемого материала вдоль условной плоскости сдвига.

При резании материалов средней пластичности на средних скоростях резания образуются стружки скалывания, при резании мягких пластичных материалов или тех же, но на больших скоростях резания образуются сливные стружки.

Процесс образования стружек скалывания происходит в описанной ниже последовательности (рисунок.).

Под действием силы Р резец внедряется в обрабатываемый материал и производит смятие его в каком-то объеме. По мере перемещения резца длина площадки смятия l см увеличивается и на обрабатываемый материал, на его

элементарный объем - элемент будущей стружки, действует все большая возрастающая сила. Увеличение этой силы идет до тех пор, пока не произойдет скалывание элемента по плоскости 1-1 под углом b 1 . Эта плоскость называется плоскостью скалывания, а угол b 1 - углом скалывания. Со стороны резца на элемент стружки действует сила Р см :

s см - предел прочности обрабатываемого материала на смятие,

b - ширина среза,

l см - длина площадки смятия.

Элемент удерживается силой Р:

где t ск - предел прочности обрабатываемого материала на сдвиг(скалывание),

а – толщина среза.

Для скалывания элемента необходимо, чтобы:

,

Отсюда видно, что размеры скалываемых элементов зависят от физико-механических свойств обрабатываемого материала, толщины среза, величины переднего угла и угла скалывания, величина которого сильно зависит от свойств внешней среды, в которой осуществляется резание.

Периодический характер образования стружки вызывает колебания силы резания, что делает процесс резания динамически неустойчивым.

Признаком стружек скалывания является наличие различимых на глаз крупных элементов. Скалывание элементов не приводит к разрушению металла, стружка представляет собой прочное тело из крепко соединенных друг с другом элементов.

Сливная стружка представляет собой сплошную ленту, в которой отдельные ее элементы не вооруженным глазом трудно различимы и не просматриваются. В отличие от процесса образования стружек скалывания, в сливных стружках деформация смятия происходит одновременно со сдвигом элементов. Как только произойдет его сдвиг, на плоскости сдвига металл упрочнится и элемент остановится, прекратит свое движение по плоскости скалывания. При остановке он снова сминается движущимся инструментом, площадка смятия у основания элемента увеличивается, сила Р см становится больше Р ск и элемент вновь сдвигается. И так происходит в течение всего времени образования стружки.

Процесс образования стружки здесь не заканчивается в зоне сдвига. При образовании сливных стружек процесс формирования их продолжается в течение всего времени движения по передней поверхности режущего инструмента.

При резании хрупких металлов образуются стружки надлома. Резец, внедряясь в металл, не сдвигает его, а сжимает и вырывает сжатый надломленный элемент. Разрушение идет по поверхности, произвольно охватывающей напряженную зону, поэтому обработанная поверхность получается неровной.

Процесс резания (стружкообразования) - сложный физический процесс, сопровождающийся большим тепловыделением, деформацией металла, изнашиванием режущего инструмента и наростообразованием на резце. Знание закономерностей процесса резания и сопровождающих его явления позволяет рационально управлять этим процессом и обрабатывать детали более качественно, производительно и экономично.

При резании различных материалов могут образовываться следующие виды стружек: сливные (непрерывные), скалывания (элементные) и надлома.

Рисунок 5.8 Типы стружек: а - сливная, б - скалывания, в - надлома.

Сливная стружка образуется при резании вязких и мягких металлов (мягкая сталь, латунь) с высокой скоростью. Чем больше скорость резания и вязкость обрабатываемого материала, а также меньше угол резания и толщина среза и выше качество смазочно-охлаждающей жидкости, тем стружка ближе к сливной.

Стружка надлома образуется при резании хрупких металлов (бронзы, чугуны). Такая стружка состоит из отдельных, почти не связанных между собой элементов. Обработанная поверхность при образовании такой стружки получается шероховатой, с большими впадинами и выступами. В определенных условиях, например при обработке чугунов средней твердости, стружка надлома может получиться в виде колец. Сходство ее со сливной стружкой только внешнее, так как достаточно сжать такую стружку в руке, и она легко разрушится на отдельные элементы.

Стружка скалывания занимает промежуточное положение между сливной стружкой и стружкой надлома и образуется при обработке некоторых сортов латуни и твердых сталей с большими подачами и относительно малыми скоростями резания. С изменением условий резания стружка скалывания может перейти в сливную, и наоборот.

В целях создания наилучших условий для отвода стружки из зоны резания необходимо обеспечить ее дробление или завивание в спираль определенной длины.

Дробленую стружку в виде колец и полуколец диаметром 10-15 мм и более следует рассматривать как хорошую. Эта стружка, несмотря на то, что занимает меньший объем и легче транспортируется, снижает стойкость инструмента.

Мелкодробленая стружка должна рассматриваться как удовлетворительная. Помимо снижения стойкости резцов такая стружка, разлетаясь во все стороны, попадает на поверхности станка, нарушает нормальную работу его узлов.

Формирование стружки в виде непрерывной спирали, прямой ленты и путаного клубка не удовлетворяет требованиям обработки деталей на станках с ЧПУ и поэтому должно быть исключено.

При некоторых условиях резания на переднюю, поверхность режущей кромки налипает обрабатываемый материал, образуя нарост. Он имеет клиновидную форму, по твердости в 2-3 раза превышает твердость обрабатываемого металла. Являясь как бы продолжением резца, нарост изменяет его геометрические параметры: участвует в резании металла, влияет на результаты обработки, изнашивание резца и силы, действующие не резец. При обработке нарост периодически разрушается (скалывается) и вновь образуется. Часть его уходит со стружкой, а часть остается вдавленной в обработанную поверхность.

В зависимости от условий обработки и свойств обрабатываемого мате­риала при резании металлов могут образовываться четыре основных типа стружки: элементная, суставчатая, сливная и стружка надлома (рис. 8.2).

Элементная стружка (рис, 8.2, а ) состоит из отдельных «элемен­тов», слабо связанных друг с другом. Суставчатая стружка (рис. 8.2, б ) также состоит из отдельных элементов (сегментов), однако эти элемен­ты прочно соединены друг с другом. Сливная стружка (рис. 8.2, г ) от­личается сплошностью, и если на ее пути нет препятствий, она сходит непрерывной лентой или завивается в спираль. Поверхность 1 называется контактной поверхностью стружки, а поверхность 2 - свободной поверх­ностью. Наиболее часто эти три вида стружки образуются при обработке пластичных материалов, причем с увеличением твердости и прочности, а также с увеличением подачи и уменьшением переднего угла инструмента более часто образуются элементная и суставчатая стружки. С увеличением скорости резания и переднего угла инструмента происходит переход от элементной к суставчатой, а затем - к сливной стружке. Стружка надлома (рис. 8.2, в ) образуется при обработке хрупких материалов и сходит в виде кусочков неправильной формы, отрываемых от обрабатываемой поверх­ности, поэтому обработанная поверхность в этом случае отличается повы­шенной шероховатостью.

Рис. 8.2. Типы стружек, образующихся при резании

а) элементная стружка; б) суставчатая стружка; в) стружка надлома; г) сливная стружка

Тип образующейся стружки не только внешне отражает условия проте­кания процесса резания, но имеет и вполне определенное влияние на эф­фективность и качество обработки. Так, при образовании сливной стружки в виде сплошной ленты необходимо на ее пути создавать специальные стружкозавивающие элементы в виде канавок или уступов, поскольку сплошная горячая стружка может представлять опасность для оператора, снижать качество обработанной поверхности, приводить к поломке инстру­мента и увеличению времени простоев оборудования. Тип стружки влияет на характер распределения напряжений и температуры на контактных по­верхностях инструмента, а, следовательно, на его стойкость и прочность.

В зависимости от условий обработ­ки стружка может быть разных видов. При обработке пластичных материа­лов (конструкционные стали) образу­ется элементная стружка (рис. 5), ступенчатая и сливная, а при обра­ботке малопластичных материалов- стружка надлома. Эта классификация стружек предложена в 1870 г. Н. А. Тиме. Ею пользуются и в настоящее вре­мя.

Элементная стружка (рис. 5, а) состоит из отдельных, пластически деформированных элементов, сла­бо связанных или совсем не связан­ных между собой. На рис. 6 и 7 пока­заны схемы образования элементной стружки. Резец, установленный на глубину а, перемещается под действи­ем силы Р, передаваемой суппортом станка, и постепенно вдавливается в

Рис. 5. Виды стружек, образующихся при резании

Рис. 6. Схема образования стружки (по И. А. Тиме)

металл заготовки, сжимает его своей передней поверхностью я вызывает сначала упругие, а затем пластические деформации. Различают следующие фазы образования элемента (по И. А. Тиме). В начале резания (рис. 6, а) происходит соприкосновение рез­ца с обрабатываемой заготовкой. За­тем резец своей вершиной вдавлива­ется в металл (рис. 6,6), который претерпевает деформацию сдвига. По мере углубления резца в срезаемом слое растут напряжения и, когда они достигнут величины предела прочно­сти обрабатываемого металла, про

Рис. 7. Схема образования стружки: - плоскостьскалывания

изойдет сдвиг (скалывание) первого элемента (1) по плоскости сдвига АВ, составляющей с направленным перемещением резца угол , равный 30-40 °. Угол называется углом сдвига. Внутри каждого элемента про­исходят межкристаллические сдвигипод углами =60-65° (рис. 7).

После скалывания первого элемен­та стружки резец сжимает следующий близлежащий слой металла, в резуль­тате чего образуется второй элемент (2), отделяющийся от заготовки по плоскости наибольших касательных напряжений под тем же углом и т. д. (рис. 6, в,г).

Цифрами 1, 2, 3,...,10 обозначены последовательно образуемые элемен­ты стружки.

Ступенчатая стружка (см. рис. 5, б) получается при обработке сталей со средней скоростью резания. Ступенчатая стружка имеет одну сто­рону (со стороны резца) гладкую, а другая сторона имеет ступеньки (за­зубрины) с выраженным направлени­ем отдельных элементов, прочно меж­ду собой связанных. У ступенчатой стружки разделение ее на части не происходит.

Сливная стружка (см. рис. 5, в) сходит с резца в виде ленты без зазубрин, присущих ступенчатой струж­ке. Она получается при обработке ста­лей с высокой скоростью резания. Поверхность стружки, прилегающая к пе­редней поверхности резца, сравнитель­но гладкая, а при высоких скоростях отполирована. Ее противоположная сторона покрыта мелкими зазубринками - насечкой и имеет бархатистый вид.

Стружка надлома (см. рис. 5, г) получается при обработке мало­пластичных металлов (твердый чугун, твердая бронза). Стружка состоит из отдельных, не связанных между собой кусочков различной формы и разных размеров. Обработанная поверхность при такой стружке получается шерохо­ватой с впадинами и выступами.

Тип стружки во многом зависит от рода и механических свойств обраба­тываемого материала. При резании пластичных материалов возможно об­разование элементной, ступенчатой и сливной стружки. По мере увеличения твердости и прочности обрабатываемо­го материала сливная стружка перехо­дит в ступенчатую, а затем в элемент­ную. При обработке хрупких материа­лов образуется или элементная, или стружка надлома.