Процесс резания можно описать следующей схемой.

При вдавливании резца в металл в срезаемом слое возникают упругие деформации, которые, накапливаясь, могут переходить в пластические. В материале заготовки возникает сложно-напряженное состояние. Увеличение пластической деформации приводит к сдвиговым деформациям в зоне стружкообразования. Срезаемый слой, деформированный в зоне стружкообразования, превратившись в стружку, получает дополнительную деформацию за счет трения стружки о переднюю часть резца.

Характер деформации зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, геометрии инструмента, режимов резания.

При резании металлов с различными физико-механическими свойствами возникают три вида стружки: сливная, скалывания и надлома.

Работа А, затрачиваемая на деформацию и разрушение металлической заготовки силой Р, действующей со стороны режущего инструмента, движущегося со скоростью V, определяется произведением А = Р×V. Работа эта состоит из трех частей: А = Ау + Ап + Ат, где Ау – работа, затрачиваемая на упругое деформирование металла, Ап – на пластическое деформирование и разрушение, Ат – работа, затрачиваемая на преодоление сил трения задних поверхностей инструмента о заготовку и стружки о переднюю поверхность инструмента.

Сопротивление металла резанию вызывает появление реактивных сил, действующих на резец. Обычно для практических целей учитывают три направления: вертикальную составляющую силы резания – Pz, радиальную составляющую – Py (в плоскости, перпендикулярной оси заготовки) и осевую составляющую – Px (действующую в плоскости вдоль оси заготовки). Соотношение между Pz, Py и Px зависит от геометрии режущей части резца, режима резания, износа резца и свойств обрабатываемого материала.

При обработке пластичных материалов резанием на передней части инструмента может образоваться слой металла, который называют наростом. Нарост образуется потому, что геометрическая форма инструмента не является идеальной с точки зрения обтекания ее металлом, силы трения между инструментом и частицами срезаемого слоя становятся больше их сцепления, и металл оседает не поверхности инструмента.

Нарост существенно влияет на процесс резания. Причем это влияние может быть двояким – положительным и отрицательным.

Положительное влияние заключается в уменьшении сил резания, вследствие увеличения переднего угла резания, а, следовательно, в уменьшении износа инструмента. Отрицательное влияние связано с увеличением шероховатости обрабатываемой поверхности, изменении размеров обрабатываемой поверхности и появлением на ней волнистости. При этом возникает еще вибрация узлов станка и инструмента, что тоже снижает качество обрабатываемой поверхности.

Механическая работа, затрачиваемая на срезание стружки, превращается в тепло. Причинами появления теплоты являются упруго-пластические деформации, трение. Наибольшее теплообразование имеет место в зоне стружкообразования, при контакте стружки с передней поверхностью инструмента, а также в зоне контакта задней поверхности инструмента с заготовкой. Количество теплоты, выделяющейся в процессе резания (в Дж/мин) приближенно оценивают из соотношения: Q = Pz ×V.

Тепловой баланс процесса резания оценивается формулой:

Q = Qд + Qпл + Qзл = Qс + Qп + Qл, где Qд – количество теплоты, выделяющейся при упруго-пластической деформации обрабатываемого материала; Qпл – количество теплоты, выделяющейся при трении стружки о переднюю поверхность инструмента; Qзп – количество теплоты, выделяющейся при трении задних поверхностей инструмента о заготовку. Из рассмотрения материально-теплового баланса следует, что оно равно сумме Qс – количества теплоты, отводимое стружкой; Qз – заготовкой; Qп – инструментом и Qл – количеству теплоты, переходящему в окружающую среду.

Теплообразование отрицательно действует на процесс резания. При повышении температуры режущего инструмента снижается его твердость. При этих условиях увеличивается скорость изнашивания инструмента, меняются его геометрические размеры, что сказывается на точности обрабатываемых заготовок. Нагрев заготовки также меняет ее геометрические размеры, в результате чего меняется глубина резания и, следовательно, точность формы и размеров детали.

На температуру резания (наивысшую температуру разогрева инструмента) большое влияние оказывает режим резания. При скоростях резания до 400 м/мин, температура разогрева инструмента быстро растет, при дальнейших увеличениях скорости резания температура меняется несколько медленнее. Глубина резания на температуру резания оказывает наименьшее влияние, что связано с улучшением условий теплоотвода.

Наличие трения между стружкой и поверхностью режущего инструмента приводит к износу режущего инструмента. Изнашивание инструмента может сопровождаться выкрашиванием отдельных частей лезвия резца. При высоких температурах поверхностей слой инструмента может покрываться окисной пленкой, происходит окислительное изнашивание инструмента. При больших контактных давлениях и температурах начинает проявляться адгезия (схватывание материала инструмента со стружкой), которая также ускоряет изнашивание инструмента.

В условиях сухого и полусухого трения преобладающим является абразивное изнашивание инструмента.

Количественнлй характеристикой износа инструмента является критерий износа – величина износа инструмента – n по задней поверхности инструмента, который определяют по эмпирической формуле:

n = Cn×Vn ×Sx ×ty , где С – коэффициент, учитывающий физико-механические

свойства обрабатываемого материала и условия обработки (приводится в

справочниках), также как и другие показатели nn, xn, yn, V – скорость резания, S – подача в мм/об, t – глубина резания.

Стойкостью инструмента называется время его работы (в мин) между переточками на определенных режимах резания. Период стойкости токарных резцов обычно составляет 30-90 мин.

При обработке резанием обычно используют охлаждение и смазку. Смазочно-охлаждающие вещества оказывают благоприятное влияние на процесс резания и качество обрабатываемой поверхности.

Смазочно-охлаждающие материалы могут быть жидкими, газообразными и твердыми. К жидким относятся эмульсии, растворы мыла, минеральные и растительные масла и эмульсии с добавками твердых веществ (графита, парафина, воска и др.). К газообразным относят газы СО2, CCl4, азот, распыленные жидкости (туманы) и пены. к твердым веществам относят воск, парафин, порошки мыл, битум и др.

Под точностью обработки понимают отклонение размеров обработанной поверхности детали от ее конструкционных размеров, указанных в чертеже.

Шероховатость поверхности – это совокупность неровностей, образующих рельеф поверхности обработанной детали.

Производительность П при резании определяют числом деталей, изготовленных в единицу времени: П = 1/Т (в шт/мин), где Т – технологическое время обработки поверхности одной детали.

На производительность процессов резания важное влияние оказывает материал, из которого изготавливают режущий инструмент.

Для изготовления инструмента выбирают легированные инструментальные стали – быстрорежущие (Р18, Р6М5, Р6М5К5 и др., а также твердые металлокерамические сплавы типа ВК (спеченные порошки карбида вольфрама с кобальтовой связкой), либо порошки титановых карбидов с вольфрамовым карбидом и смеси титаново-танталовых карбидов с карбидами вольфрама. Последние маркируются как ТВК и ТТВК.

Твердые сплавы типа ВК используют для обработки хрупких металлов и неметаллических материалов. ТВК – для обработки вязких металлов и сплавов, а ТТВК для закаленных сталей и неметаллических материалов (фарфора, керамики, ситаллов и др.).

Стойкость инструмента из спеченных карбидных сплавов значительно выше, чем из быстрорежущих сталей.

Для изготовления инструментом, к которым предъявляют особые требования к размерной стойкости, используют минералокерамику – спеченный глинозем Al2O3, обладающий красностойкостью до 1200C. Иногда к глинозему добавляют молибден, вольфрам, бор, титан. Такие материалы называют керметами и их используют при резании труднообрабатываемых материалов. Используются при резании также и алмазный инструмент, обладающий самой высокой износостойкостью и красностойкостью. Недостаток этих инструментов – повышенная хрупкость.