1. Общие сведения о резании металлов
Pезание - это наиболее сложный процесс обработки материалов. При резании снимается слой материала (стружка) и образуются как по конфигурации, так и по физическим свойствам новые поверхности деталей. Наивыгоднейшей формой режущего инструмента является клин, с определенными геометрическими параметрами. Срезание клином слоя материала сопровождается различными физико-химическими явлениями:
1) Возникает сложное напряженное и деформированое состояния материалов в зоне резания. Имеют место все виды упругих и пластических деформаций- сжатие, растяжение и сдвиг. Пластические деформации и напряжения достигают очень больших величин. Происходит хрупкое и вязкое разрушения материала.
2) Создается неоднородное температурное поле. В зоне контакта температура достигает 1000-1500 С. Имеют место сложные схемы теплопередачи и теплообмена.
3) Помимо сухого и граничного трения в контактных областях происходит трение неокисленных (чистых, ювенильных) поверхностей при очень больших удельных давлениях и высокой температуре.
4) В определенных условиях на передней поверхности инструмента происходит образование нароста.
5) После обработки поверхности слой деталей имеет различную высоту микронеровностей, возникают упрочнение (наклеп) материала и остаточные напряжения.
6) Применение смазочно-охлаждающих веществ сопровождается сложными физико-химическими явлениями: окислением, конвективным теплообменом, образованием пленки, адсорбцией, диспергированием, коррозией и т.п.
7) Появляются вибрации в технологической системе - вынужденные и автоколебания.
Все вышеперечисленные явления находятся в определенной взаимозависимости. Для управления различными видами механической обработки необходимо иметь четкое качественное и количественное описание всех перечисленных явлений, необходимосоздать механическую и физическую модель процесса резания.
Первые научные исследования процесса резания были проведены русским ученым И.А.Тиме и изложены им в монографии "Сопротивление металлов и дерева резанию" (1870г.). Предложенная им элементарная механическая схема стружкообразования (рис. 1) была первой попыткой дать качественное описание процесса отделения срезаемого слоя от заготовки. И.А.Тиме считал, что резание является процессом последовательного скалывания отдельных элементов по "плоскости скалывания" (рис.1.). При этом предполагалось, что:
а) вся деформация концентрируется в очень узкой области (плоскости ВС), в которой происходит мгновенное разрушение материала - скалывание;
б) силы трения отсутствуют;
в) деформирования подрезцового слоя не происходит.
Рис.1. Схема стружкообразования по И.А.Тиме (1870г.)
И.А.Тиме впервые предложил классификацию стружек, дал наименование углам резца, ввел понятие о "коэффициенте усадки стружки", показал, что закономерности стружкообразования едины для всех видов обработки резанием.
В дальнейшем многие отечественные и зарубежные ученые, базируясь на схеме И.А.Тиме, уточняли ее вносили существенные изменения (работы К.А.Зворыкина-1893г., А.А.Брикса-1896г., А.В.Гадолина 1886-1890гг.). Hо слабое развитие теории пластичности и физики твердого тела, примитивная аппаратура для экспериментальных исследований конца XIX и начала XX веков не позволили дать более или менее полное описание механики процесса резания. В дальнейшем бурное развитие физико-химических наук способствовало развитию физической теории резания материалов, родоначальником которой был Я.Г.Усачев. Он определил размеры зоны деформированного материала, дал объяснение образованию наростов на резце, разработал оригинальные конструкции термопар и динамометра. Кроме этого, большой вклад в теорию резания внесли работы российских ученых: академика Кузнецова В.Д., профессоров Pозенберга А.М., Глебова С.Ф., Кривовухова В.А., Зорева H.H., Грановского Г.И.и других.