Обработка металлов резанием на токарном станке схематически показана на рис. 1: обтачивание детали 1 резцом 2. Деталь при этом вращается по стрелке v (главное движение), а резец перемещается по стрелке s и снимает стружку с детали (вспомогательное движение). Первое из этих движений является главным, а второе — вспомогательным. Главное движение при точении характеризуется скоростью резания. Вспомогательное движение при точении характеризуется подачей режущего инструмента.
Рис. 1. Движения и элементы резания при точении: 1 - обрабатываемая деталь; 2 - резец токарного станка ЧПУ
Для скоростей резания выше зоны наростообразования Талантовым Н.В. на основе теоретических и экспериментальных исследований контактных процессов разработана реальная схема резания, учитывающая взаимосвязь явлений происходящих в процессе отделения стружки от металла с физико-механическими свойствами контактируемых пар «инструментстальная заготовка». В отличие от схемы с единственной плоскостью сдвига (см. “Резание на токарном станке, основы стружкообразования” рис. 2), представляющей процесс обработки металлов резанием, как процесс внешнего трения сходящей стружки о переднюю поверхность инструмента, реальная схема рассматривает процесс резания с позиций высокоскоростного пластического деформирования металлов.
Рис. 2. Реальная схема процесса резания по Талантову Н.В.: а) изменение сопротивления пластическому деформированию в зоне стружкообразования; б) реальная схема процесса резания; в) изменение сопротивления пластическому деформированию в зоне контактного взаимодействия.
Основываясь на трудах академика Кузнецова В.Д. отмечено, что пластическая деформация металла всегда сопровождается двумя конкурирующими процессами – упрочнением и отдыхом. При этом величина упрочнения не зависит от температуры, а зависит от степени деформации. Скорость отдыха металла сильно зависит от температуры, а при постоянной температуре степень отдыха определяется временем отдыха и величиной полученного упрочнения. С увеличением скорости деформации сопротивление металла пластическому деформированию возрастает, а влияние скорости будет максимальным при температуре, близкой к температуре рекристаллизации металла (температура Дебая).
Общая длина контакта стружки с передней поверхностью инструмента С (рис. 2), разделяется на участки пластического контакта С1 и вязкого (упругого) контакта С4. В свою очередь, участок пластического контакта С1 состоит из участков упрочнения С2 и разупрочнения С3. В реальной схеме процесс пластического деформирования срезаемых объемов стали при обработке металлов резанием, совершается во времени или по пути перемещения этих объемов от начальной границы зоны стружкообразования РL до конечной границы KM. Эти границы параллельны и расположены друг относительно друга на конечном расстоянии Сс. Зона стружкообразования представляет собой семейство параллельно расположенных плоскостей сдвига, по мере пересечения которых при движении по кривой AB, каждый объем стали последовательно деформируется.
Одним из принципиальных отличий контактного взаимодействия формирующейся стружки с передней поверхностью инструмента от известного процесса внешнего трения является то, что на участке пластического контакта C1, внешнее трение заменяется контактным пластическим течением стали по аналогии с гидродинамикой. Таким течением охватывается прилегающая к поверхности инструмента незначительная часть толщины стружки. Верхняя граница зоны пластического течения для всех условий резания имеет вид кривой PKR (рис. 2). Эта зона названа зоной контактных пластических деформаций. В отечественной литературе по резанию металлов эта зона называется зоной вторичных пластических деформаций. Установлено, что процессы пластического деформирования стали в зоне стружкообразования и на участке упрочнения зоны контактных пластических деформаций протекают параллельно, взаимосвязаны между собой и являются высокоскоростным пластическим деформированием.
В ходе пластического деформирования элементарного объема стали используя токарный станок ЧПУ, перемещение по кривой AB зоны стружкообразования (рис. 2), последовательно растет степень деформации и скорость деформации, что в сумме приводит к росту упрочненного состояния, т.е. к росту сопротивления пластическому деформированию τ(тау)с. При этом растёт температура и когда она достигает уровня температуры Дебая, прекращается упрочнение (конец участка упрочнения точка К), начинается разупрочнение (линия КR). Равенство двух конкурирующих процессов упрочнения и разупрочнения определяет условие образования сливных стружек.
Изменение упрочненного состояния стали в зоне контактных пластических деформаций в отличие от зоны стружкообразования протекает по иному. В пределах участка упрочнения C2 от точки P до точки T интенсивность деформационного упрочнения выше интенсивности температурного разупрочнения. На этом участке сопротивление пластическому деформированию растет. При этом повышается температура и в точке T интенсивность двух процессов становится равной. При дальнейшем росте температуры происходит уменьшение интенсивности деформационного упрочнения и повышается интенсивность температурного разупрочнения до точки R (участок разупрочнения TR–C3). Экспериментальная кривая изменения упрочненного состояния стали (сопротивления пластическому деформированию) по всей длине пластического контакта представлена на рисунке 2, в). В работе Талантова Н.В. "Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента" подчеркивается, что степень упрочнения металла в зоне контактных пластических деформаций значительно выше, чем в зоне стружкообразования. В реальной схеме указано на решающую роль температуры (тепловыделения и стока тепла) на размер участка упрочнения и разупрочнения (размер пластического контакта). При этом в работе отмечена и физически обоснована закономерность: увеличение теплопроводности хотя бы одной из контактируемых пар (обрабатываемого или инструментального материала) увеличивает в первую очередь касательную силу F. Эта закономерность прямо противоположна влиянию на горизонтальные составляющие силы резания механической прочности стали и необъяснима с позиций условной схемы стружкообразования.
Реальная схема стружкообразования при обработке металлов резанием учитывает и влияние зоны упругого контакта (участок С4 на рисунке 3) на контактные характеристики процесса резания, но не через коэффициент трения , а через теплоту трения, выделяемую на этом участке. Эта доля тепла вместе с теплотой, выделившейся в результате пластического деформирования металла в зоне стружкообразования и с тепловым выделением в зоне контактных пластических деформаций формирует температурный уровень разупрочнения сталей на участке С2.
На рисунке 3 представлены снятые при увеличении инструментального микроскопа в 32 раза, различающиеся по внешнему виду контактные участки, которые образуются в процессе резания как наглядное подтверждение положений реальной схемы резания. Контактные участки измерялись на передней поверхности твердосплавного инструмента, после быстрого вывода инструмента из зоны резания с использованием специального приспособления и травления поверхности инструмента раствором «царской водки».
Реальная схема резания, в отличие от условной, рассматривает поведение срезаемых объемов металла в динамике как в зоне стружкообразования, так и в зоне контактных пластических деформаций во взаимосвязи с теплофизическими свойствами контактируемых пар. Она позволяет объяснить многие взаимосвязанные явления в зоне обработке металлов резанием и дает возможность использования установленных явлений для управления процессом резания.
Рис. 3. – Передняя поверхность резца Т5К10 после обработки стали 45: С- полная длина контакта; С1 – пластический контакт; С2 – участок упрочнения; С3 – участок разупрочнения; С4 – участок упругого (вязкого) контакта.
