В машиностроении обработка металлов резанием осуществляется различными режущими инструментами, отличающимися между собой по форме и размерам. Но принцип работы и снятие срезаемого слоя у всех видов режущих инструментов одинаков. Проследим его на примере работы токарного резца. Головка резца представляет собой клин, который под действием приложенной к нему внешней силы Р вдавливается в металл и, срезая с него слой, превращает срезаемый слой в стружку (рис. 253). При этом имеют место деформации: упругая, пластическая, а затем— разрушение. При обработке пластического металла (стали, меди, латуни и т. п.) наибольшее место занимает пластическая деформация.
В процессе образования стружки на внешней стороне срезаемого слоя происходят следующие фазы стружкообразования:
- Под действием внешней силы Р (рис. 253) резец (клин) вдавливается в металл. В срезаемом слое возникают упругие, а затем пластические деформации и создается сложное напряженное состояние как впереди передней поверхности, так и ниже линии среза I — I (рис. 253, а).
- Вдавливаясь далее в металл, резец производит последующее сжатие срезаемого слоя. Пластические деформации нарастают и наступает момент, когда металл, находящийся перед передней поверхностью, выпучивается вверх (рис. 253, б), появляются деформации растяжения. Упругие и пластические деформации распространяются далее вперед.
- Когда пластические деформации дойдут до своего предела и напряжения превзойдут силы сцепления частиц металла, происходит отрыв или скалывание элемента 1 от основного материала по плоскости скалывания А1В1.
Рис. 253. Схема процесса образования стружки.
В процессе резания металлов и стружкообразования происходят сложные физические процессы, сопровождающиеся многими внутренними и внешними явлениями.
Образование и скалывание элемента стружки в процессе резания происходит при больших напряжениях, соответствующих пределу прочности данного металла.
Научное обоснование явлений, происходящих при резании металлов, было впервые выполнено в России. Опубликованные профессором Петербургского горного института И. А. Тиме труды «Сопротивление металлов и дерева резанию» в 1870 г., а затем «Мемуар о строгании металлов» в 1877 г. Были переведены на французский и немецкий языки. После этого И. А. Тиме был признан основоположником науки о резании металлов. Профессор И. А. Тиме установил, что скалывание элементов стружки происходит по поверхности, названной им плоскостью скалывания, а угол ψ (рис. 253), определяющий положение этой плоскости, он назвал углом скалывания. Величина угла скалывания ψ для всех вязких металлов постоянная, равная 145 — 150°; она не зависит от положения передней поверхности резца.
Деформации металла в срезаемом слое происходят между плоскостью скалывания и передней поверхностью резца в пределах угла η, названного И. А. Тиме углом действия.
Глубокие и обширные исследованиями стружкообразования были проведены русским ученым А. Г. Усачевым в 1908 г.
Деформациям срезаемого слоя сопутствует ряд физических явлений: усадка стружки, появление опережающих трещин и нароста на резце, теплообразование и нагрев материала, трение и сопутствующий ему износ, возникновение вибраций.
В результате удаления срезаемого слоя с обрабатываемой поверхности образуются три вида стружки: скалывания, сливная и надлома.
Стружкой скалывания (рис. 254, а) называют стружку, элементы которой остаются соединенными между собою, образуя сплошную ленту с гладкой внутренней стороной, примыкающей к передней поверхности резца, и наружной стороной с зазубринами в местах скалывания отдельных элементов. Сливной стружкой (рис. 254, б) называют стружку, у которой отсутствуют зазубрины на внешней стороне. Стружкой надлома называют отдельные элементы неопределенной формы (рис. 254, в), не соединенные между собой, получающиеся при обработке хрупких металлов (чугун, фосфористая бронза и др.). Вид получающейся стружки зависит от качества обрабатываемого металла, режимов резания, геометрии режущего инструмента. Однако следует отметить, что при обработке одного и того же пластичного или хрупкого металла могут получиться все виды стружек, так как пластичность и хрупкость являются состоянием вещества, а не его свойствами.
Рис. 254. Виды стружек: а — скалывания; б — сливная; в — надлома.
Усадкой стружки называют ее укорочение и утолщение по сравнению с длиной и шириной срезанного слоя вследствие пластических деформаций обрабатываемого металла. Величина усадки стружки является одним из приближенных способов оценки деформации обрабатываемого материала:
K = L0/L ≈ 2,
где К — усадка стружки; L0 — путь резца в теле заготовки; L — средняя длина стружки.
Как видно, величина усадки показывает, во сколько раз укоротился снятый слой металла и характеризует пластичность металла, т. е. его способность претерпевать под действием силы большие или меньшие пластические деформации. Чем пластичнее металл, тем больше величина усадки.
