книги из ГПНТБ / Вульф А.М. Резание металлов

А. М. ВУЛЬФ

РЕЗАНИЕ МЕТАЛЛОВ

Издание второе, переработанное и дополненное

Ленинград «Маши построен ие»

Ленинградское отделение 1973

Р е ц е н з е н т д-р техн. наук В. Г. Подпоркин

© Издательство «Машиностроение», 1973 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Директивами X X I V съезда КПСС по пятилетнему плану раз­ вития народного хозяйства страны на 1971—1975 гг. намечено повысить производительность труда в промышленности на 36—40% и получить за счет этого 80—85% общего прироста продук­ ции. Важнейшим условием выполнения этой задачи является не только форсированное развитие машиностроения, но и улучшение качества и тем самым значительное повышение ресурсов выпу­ скаемой продукции.

Для осуществления этой обширной программы инженернотехнические работники должны своевременно получать новейшую научно-техническую информацию в области профессиональных знаний и фундаментальных наук.

В настоящем труде ставится задача осветить закономерности резания металлов на основе физических представлений о про­ цессе, а также показать рациональные формы режущего инстру­ мента. Достижения в области резания металлов в большой мере связаны с инструментальными материалами, обладающими разно­ образными физико-механическими свойствами. Надо знать их специфические особенности и использовать с наибольшим успехом. Для этого изложению законов резания предпосланы некоторые элементарные сведения из физики твердого тела, имеющие непо­ средственное отношение к процессу резания.

Несомненно, что физика металлов будет занимать все большее место в науке о резании металлов, и можно вполне согласиться с проф. В. Д . Кузнецовым, утверждавшим, что «зная свойства ка­ кого-либо металла и его поведение при каком-либо виде деформа­ ции, мы можем более или менее точно предсказать поведение дан­ ного металла и при резании. Специалисту по резанию металлов необходимо прежде всего хорошо знать свойства обрабатываемых металлов, чтобы предвидеть протекание процесса резания при тех или иных условиях» 148].

Сказанное особенно справедливо в нашу эпоху интенсификации технологических процессов, когда высокопрочные и труднообра­ батываемые материалы и скоростные режимы резания получают широкое распространение. Очевидно, что в этих условиях созна­ тельное управление производственным процессом невозможно без понимания его теоретических основ.

Многочисленные исследования советских и зарубежных уче­ ных достаточно пространно осветили механическую модель про­ цесса резания. Большинство исследователей рассматривает реза-

Г л а в а I

НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Резание металлов — очень сложный процесс, часто протекаю­ щий при высоких скоростях, температурах и давлении. Снимае­ мый слой металла подвергается значительным упругим и пласти­ ческим деформациям в результате взаимодействия его с режущим инструментом. Это сопровождается структурными изменениями, течением и разрушением снимаемого слоя, трением, большой усад­ кой стружки, образованием налипа, нароста на режущем инстру­ менте.

Большие изменения претерпевает обработанная поверхность изделия и подповерхностный слой, где возникают остаточные напряжения различных знаков и интенсивности, а также наклеп, определяющие их геометрические и физико-механические свой­ ства и тем самым ресурсы изготовляемых машин и приборов.

Попытки одностороннего объяснения чрезвычайно сложного процесса резания элементарными механическими схемами или на основе математической теории пластичности нельзя признать удачными. Здесь имеется еще достаточно дискуссионного и неяс­ ного, хотя в последнее время выполнены интересные исследования механизма пластической деформации на микроскопическом и макроскопическом уровнях.

Положение усложняется еще и тем, что процесс резания сопро­ вождается температурными и физико-химическими явлениями, природа которых еще не выявлена настолько, чтобы можно было принимать инженерные решения на основе теоретических расче­ тов. Однако грамотный технический анализ явлений на базе физики твердого тела поможет специалистам правильно ориенти­ роваться в деле повышения производительности и качества про­ цесса резания.

Более того, на базе физики твердого тела не только облег­ чается решение практических задач, но и раскрываются широкие перспективы плодотворного развития самой науки о резании металлов, ибо «физика твердого тела — неисчерпаемый источник идей, на которых базируется развитие важнейших отраслей тех­ ники» (акад. Л. А. Арцимович).

5

2. ПОНЯТИЕ О КРИСТАЛЛЕ

Все металлы и их сплавы имеют кристаллическую структуру. Кристаллы представляют собой тела в форме многогранников с определенным внутренним строением, характеризуемым правиль­ ным расположением атомов, размещенных в узлах пространствен­ ной решетки. Последняя состоит из ряда параллельных кристал­ лографических плоскостей, отстоящих друг от друга на опреде­ ленных расстояниях.

Плотность расположения атомов различна в разных плоско­ стях кристалла, что вызывает анизотропное строение, которому присущи в разных направлениях неодинаковые физико-механи­ ческие свойства -— прочность, тепловое расширение, электрическое сопротивление и пр.

Как правило, чистые монокристаллы обладают высокой пла­ стичностью и низкой прочностью (серебро, алюминий). Чистые кристаллы алюминия сохраняют упругость лишь до деформации порядка 10~5, а затем при увеличении нагрузки пластически деформируются. Мелкие кристаллы чистого теллура деформи­ руются при комнатной температуре под действием собственного веса. Теоретические оценки предела упругости идеальных кри­ сталлов нередко в 102 —103 превышают их экспериментальные значения. Имеются кристаллические тела, которые почти не обладают пластичностью, например кристаллы особо чистого германия и кремния в условиях комнатной температуры при наложении напряжений дают типичную картину хрупкого раз­ рушения.

В противоположность кристаллам аморфные тела являются изотропными, имеющими одинаковые свойства в разных направ­ лениях. Они могут быть и пластичными и хрупкими. Так, стекло при комнатной температуре отличается хрупкостью, причем считают, что это обусловлено концентрацией напряжений на микротрещинах.

Отдельные зерна в виде кристаллов с неправильной огранкой называются кристаллитами. Почти всякий чистый металл пред­ ставляет собой совокупность кристаллов,- или поликристалл. При этом в металле, как и всяком реальном кристаллическом теле, кристаллы ориентированы различно, и, следовательно, средние показатели физико-механических свойств в разных направлениях могут быть одинаковыми (квазиизотропные металлы). Однако, если в результате пластической деформации (например, при прокатке листов) в структуре металла создается одинаково на­ правленная ориентация кристаллов (текстура), то появляется типичная анизотропия свойств, чем пользуются нередко для получения определенных физико-механических свойств металла в необходимых направлениях. Это же имеет место и при резании пластичных металлов, где снимаемый слой в результате его дефор­ мации приобретает форму стружки с резко выраженной тексту-

6

оказывая существенное влияние на характеристику электронной структуры, определяют физико-механические свойства материа­ лов. В частности, отмеченные элементарные нарушения периоди­ ческой структуры облегчают протекание пластической деформа­ ции, играющей большую роль в процессе резания металлов.

3. МЕХАНИЗМ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

Деформацией называется процесс изменения формы тела под действием внешних сил или каких-либо физико-химических явлений (теплоты, электромагнитного поля, диффузии и др.). Деформация может быть упругой, исчезающей после прекращения

двойникование, заключающееся в сдвиге частей кристалла сим­ метрично относительно некоторой плоскости (рис. 3). Этот процесс часто наблюдается в аустенитных сталях, а также у некоторых цветных металлов и сплавов. При большой степени деформации он сопровождается искривлением кристаллографических плоско­ стей и изменением межатомных расстояний.

Наряду с отмеченными явлениями при пластической деформа­ ции изменяется положение атомов также вследствие их теплового движения. Тепловые колебания атомов при высокой температуре играют значительную роль в пластической деформации металлов,

8

так как в этом случае у металла увеличивается способность к обра­ зованию плоскостей скольжения при незначительных касатель­

ческого) сжатия, тем больше при одинаковых температурных и ско­ ростных условиях пластичность металлов. С. И. Губкин объяс­ няет это явление тем, что объемное сжатие затрудняет межкристаллитную деформацию, значительное проявление которой спо­ собствует разрушению. Следовательно, пластичность металла воз­ растает с уменьшением роли растягивающих напряжений. При резании металлов в зоне пластической деформации элементарные объемы металла подвергаются гидростатическому сжатию с нало­ жением напряжений сдвига.

Рис. 4. Схема влияния главных напряжений на пластичность П и сопротивление деформации С

Легкость, с которой осуществляется деформация металла, сильно зависит от того, насколько направление действующих сил совпадает с направлением плоскости возможного сдвига. Дефор­ мация облегчается, когда срезающая сила параллельна плоскости сдвига. В гранецентрированной кубической решетке сдвиг про­ исходит в плоскости, перпендикулярной пространственной диаго­ нали куба. Плоскости подобного рода можно провести в четырех разных направлениях и, следовательно, деформация осуще­ ствляется сравнительно легко, так как всегда какая-либо из плоскостей кристалла окажется близко расположенной к направ­ лению действия сил. Труднее деформируются металлы с гекса­ гональной решеткой, тзк как здесь сдвиг может происходить в единственной плоскости основания призмы.

Пластичность металла зависит от степени равномерности его структуры. В нем могут быть концентраторы и антиконцентра­ торы напряжений как микроскопического, так и макроскопиче­ ского характера. Микроскопические включения, прочность кото­ рых меньше прочности окружающего фона, например графито­ вые включения в феррите, будут концентраторами напряжений и потому очагами первых линий сдвигов. Концентраторы напря­ жений ослабляют металл и, следовательно, графитовые или какие-либо неметаллические включения должны ослаблять фер­ рит. В случае резания последнее обстоятельство способствует дроблению стружки, как это, например, имеет место при обра-

9