Распределение напряжений при резании металлов

Значительные касательные и нормальные напряжения возникают как в плоскости первичного сдвига, так и на передней поверхности инструмента. Эта область трения, или зона вторичного сдвига, важна для понимания процесса механических воздействий на режущий инструмент и его износа.

Напряжения в заготовке. Как обсуждалось в статье «Механика стружкообразования» в этом Разделе, фундаментальный механизм стружкообразования требует упрочнения во время предварительной обработки до того, как материал заготовки достигнет плоскости среза. Результаты эксперимента показали, что материал упруго деформирован на достаточно большом расстоянии от вершины инструмента. По мере приближения материала к инструменту, сжимающие напряжения начнут пластически деформировать материал заготовки, как показано на рисунке 2. Позади вершины инструмента напряжения будут растягивающими.

Расстояние от границы между упругой и пластической деформацией до вершины инструмента будет зависеть от параметров инструмента, параметров резания и свойств обрабатываемого материала. В частности величина предварительного растягивающего упрочнения и способность обрабатываемого материала упрочняться будет влиять на величину напряжений в заготовке и будет влиять на положение границы упругой и пластической деформации. Материалы с малым предварительным растягивающим упрочнением будут отодвигать свои границы дальше от вершины инструмента.

Напряжения в плоскости сдвига. Согласно с допущениями в пункте «Силы» данной статьи, плоскость сдвига в целом моделируется имеющей равномерное распределение как касательных, так и нормальных сил, на всей своей площади. Площадь сдвига A_s – это сечение среза (A_s=t∙w) с наклоном на угол сдвига ϕ. Таким образом, площадь сдвига определяется по формуле 16. Тогда напряжения сдвига на плоскости сдвига могут быть рассчитаны по формуле 17, а нормальные напряжения могут быть определены аналогично по формуле 18. Следовательно напряжения зависят только от измеренных сил резания (F_c и F_t.), геометрии резания (t и w) и от геометрии деформации (ϕ).

Напряжения сдвига τ_s принимают постоянное значение для отдельных материалов. Рисунок 3 и Таблица 1 дают типичные значения для ряда металлов.

Распределение напряжений на передней поверхности. Природа контакта инструмента и стружки, а также распределение сдвиговых и нормальных напряжений важны для понимания процесса резания и поведения режущих инструментов. Высокие напряжения совместно с высокими температурами и большими деформациями рядом с поверхностью инструмента делают процесс вторичного сдвига сложным для моделирования.

Постоянные напряжения на передней поверхности. Классический анализ сил и напряжений на передней поверхности допускает действие Кулоновского трения скольжения, а также равномерное распределение напряжений. Таким образом, коэффициент трения скольжения – это просто сила трения F, деленная на нормальную силу N, действующую на передней поверхности, как показано в формуле 19. Коэффициент трения зависит от скорости, увеличением скорости достигается снижение трения.

Площадь контакта взаимодействия инструмента и стружки – это произведение ширины резания w и длины скользящего контакта l, как показано на рисунке 1. Поэтому площадь скользящего контакта на передней поверхности определяется по формуле 20, а напряжения сдвига в зоне взаимодействия может быть рассчитана по выражению 21. Аналогично нормальные напряжения на передней поверхности могут быть записаны как в формуле 22. Эти модели разработаны для практического приближенного описания поведения скользящей по передней поверхности стружки. Однако имеется большая группа экспериментальных подтверждений того, что напряжения неравномерно распределены на передней поверхности.

Неравномерное распределение напряжений на передней поверхности. Группа экспериментальных подтверждений, показывающих непостоянство напряжений на передней поверхности, обширна и использует широкий диапазон экспериментальных методик и наблюдений. Возможно простейшим наблюдением, подтверждающим этот вывод, является перемещение материала заготовки к инструменту, как видно невооруженным глазом, в оптический микроскоп и в сканирующий электронный микроскоп [10]. Перемещение этого материала происходит не на всей площади контакта, а рядом с вершиной резца. Эксперименты с использованием фотосъемки через прозрачный сапфировые инструменты [11], фотоупругие инструменты [12], быстро останавливающиеся приспособления для наблюдения потока металла в стружке [13] и другие методики показали непостоянство напряжений.

Быстро останавливающиеся приспособления, которые отводят инструмент от стружки, «замораживают» рисунок потока материала в стружку. Такие исследования показали две главных области на передней поверхности по отношению к потоку. После полировки и травления из линий потока ясно видно, что материал вблизи вершины схватывается с инструментом. Это может быть показано линиями потока на рисунке 4, которые движутся параллельно поверхности инструмента. Остальная площадь контакта являет собой скользящий контакт.

Это представление о схватывании сильно отличается от обычных понятий трения скольжения. Из-за высоких температур взаимодействия и давлений материал, прилегающий к поверхности инструмента, практически статичен, а относительный сдвиг происходит в стружке.

Как первоначально открыто Зоревым [14] и что согласуется с представленными экспериментальными данными, напряжения на передней поверхности по существу нелинейны, как показано на рисунке 5. Допускается, что нормальные напряжения принимают наибольшее значение σ_max на вершине резца; затем напряжения снижаются по степенной зависимости для расстояния от вершины инструмента до точки, в которой стружка отходит от инструмента (см. Рис.5). Напряжения сдвига постоянны в области схватывания, а затем снижаются по степенной зависимости к точке, в которой стружка отходит от инструмента.

Нормальные напряжения на передней поверхности определяются по формуле 23, где σ_max – максимальное нормальное напряжение на вершине резца (или x=l), l это вся длина контакта стружки с инструментом, x это расстояние от точки, в которой стружка отходит от инструмента, до желаемой точки, n это показатель степени. Нормальная сила может быть получена интегрированием нормального напряжения по площади контакта на поверхности инструмента по формуле 24.

Касательные напряжения более сложны в определении из-за поведения прохождения материала стружки вдоль инструмента, которое меняется вдоль передней поверхности. Область схватывания вблизи вершины инструмента должна моделироваться отлично от области трения скольжения (Кулоновского). В области схватывания (l_f ≤ x ≤ l) напряжение сдвига имеет постоянное значение τ, потому что материал стружки срезается внутри, как показано линиями потока на рисунке 4.

В области скольжения, касательные и нормальные напряжения соотносятся как в выражении 25. Таким образом, касательные напряжения на всей поверхности могут быть удобно представлены в формуле 26. Для определения силы трения на передней поверхности, касательные напряжения из формулы 26 должны быть проинтегрированы по площади контакта. Это представлено в формуле 27, где l_s это длина схватывания (т.е. l- l_f).

Несмотря на то, что такие модели полезны для понимания процесса, очень сложно определить длины, относящиеся к схватыванию и скольжению. Обычно инструмент – это основание, ограничивающее полную длину контакта, а длина схватывания определяется линиями потока, как подробно рассказано выше.

Из простой ортогональной модели ясно, что усилия сдвига материала стружки, относительное значение схватывания и другие параметры будут значительно изменять силы механообработки. Возрастающие усилия сдвига и длины схватывания (для постоянной длины контакта) будут увеличивать силы резания. Таким образом, использование инструментальных материалов с меньшей склонностью к схватыванию со стружкой или использование смазок, которые снижают l_s будут соответственно уменьшать силы резания.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: