Процесс стружкообразования и типы стружки
Процесс стружкообразования заключается в поэлементном отделении металла. Под действием сил, приложенных к режущему клину, идет пластическое деформирование материала в зоне, ограниченной передней поверхностью резца и плоскостью сдвига, проходящей под углом b, к направлению движения подачи S. При перемещении резца в какой-то момент, когда внутренние напряжения в этой зоне превысят силы связи между частицами материала заготовки происходит сдвиг части материала по плоскости сдвига, то есть образуется первый элемент стружки. Последовательное перемещение резца приводит к образованию второго, третьего и так далее элементов.
Различают три типа стружки:
Сливная стружка
Эта стружка получается при обработке вязких материалов при малой глубине резания, больших передних углах инструмента и больших скоростях резания.
Стружка скалывания
Получается при обработке материалов средней твердости и твердых материалов при больших толщинах срезаемого слоя, малых передних углах и малых скоростях резания. На стружке скалывания четко просматриваются отдельные элементы стружки.
Стружка надлома
Она образуется при обработке хрупких материалов, состоит из отдельных, не связанных между собой элементов (чугун, латунь).
В условиях производства важную роль играет тип стружки, так как он определяет безопасность работы, простоту удаления её из зоны обработки. При обработке пластичных (вязких) материалов надо принять меры для завивания и надлома стружки. Это обеспечивает внесение некоторых дополнительных изменений в конструкцию резца. Оптимальной стружкой в массовом и серийном производстве считают цилиндрическую или коническую спираль в виде отрезков длиной 30-80 мм при диаметре до 15 мм.
Усадка стружки
Степень пластического деформирования удаляемого при резании материала полностью характеризуется усадкой стружки, то есть несоответствием длины стружки и пути резца. Стружка оказывается более короткой, но, сохраняя объем, делается большей по поперечному сечению за счет увеличения толщины. О величине усадки стружки судят по величине коэффициента усадки k.
l0 – длина участка обработки,
Значение коэффициента усадки в пределах от 2 до 7. Чем больше коэффициент, тем более сложно протекает обработка, тем большая требуется работа по обеспечению среза стружки, то есть усадка является универсальным показателем процесса резания.
Чем больше угол резания d, тем больше усадка, так как идет большая деформация срезаемого слоя, требуются большие усилия по внедрению режущего клина. Уменьшает усадку применение смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), которые снижают величину силы трения.
Наростообразование
В результате трения стружки о микронеровности передней поверхности при большой глубине резания, отдельные частицы стружки отделяются от неё и привариваются к передней поверхности резца в виде клиновидного нароста. Наличие нароста приводит к уменьшению угла резания. Размеры нароста постоянно меняются. Достигнув определенной величины, нарост отделяется от передней поверхности резца и начинает образовываться новый. Отделяясь, нарост в массе своей уходит вместе со стружкой, но часть нароста идет на обработанную поверхность. При черновой обработке нарост оказывает положительное влияние, так как уменьшая угол резания, он защищает переднюю поверхность резца от износа. При чистовой обработке нарост играет отрицательную роль, так как ухудшает качество обработанной поверхности. Наростообразование характерно для обработки пластичных материалов в интервале скорости резания от 20 до 60 м/мин.
Наклёп
Отделение стружки от заготовки есть результат её пластического деформирования. При этом меняются её физико-механические свойства. Это изменение относится к стружке и поверхностному слою обработанной поверхности, поэтому увеличивается прочность, твердость, износостойкость по сравнению с аналогичными свойствами материала до начала резания. Чем сложнее идет процесс резания, то есть больше углы резания, чем пластичнее материал, тем большее уплотнение (наклеп) получает поверхностный слой, тем на наибольшую глубину проникают эти изменения. Степень наклепа характеризуется коэффициентом
HVоп – микротвердость обработанной поверхности
HVисх – исходная твердость материала
i может быть от 3 до 7 (!).
3.2 Виды стружки и условия ее образования
Классификацию предложил И. А. Тиме: стружка сливная (а), скалывания или суставчатая (б), элементная (в), и надлома (г).
Рисунок 3.3 – Типы стружек
Стружка скалывания состоит из отдельных элементов. Поверхность стружки, контактирующая с передней поверхностью резца гладкая. Она образуется в результате обработки сталей и других пластичных материалов при большой толщине срезаемого слоя, относительно низкой скорости и небольшом переднем угле лезвия.
При уменьшении толщины среза, повышении скорости резания и увеличении переднего угла отдельные элементы стружки станут менее отчетливыми и будут сходить без зазубрин на ее внешней стороне (сливная стружка).
Если увеличить толщину среза, уменьшить скорость резания и передний угол g, отдельные элементы стружки будут менее связанными, то есть образуется элементная стружка. Эти три вида стружки получаются при обработке пластичных материалов.
В случае обработки хрупких материалов при большой толщине среза и больших углах g происходит вырывание или откалывание хрупких частиц металла неправильной формы.
Получаемая при этом стружка называется стружкой надлома. Она образуется при обработке чугуна, который плохо сопротивляется растяжению.
При больших углах g в срезаемом слое появляются напряжения отрыва, которые способствуют выламыванию кусков металла. Если увеличить скорость резания, при обработке чугуна образуется элементная стружка, а при очень высоких скоростях чугун дает сливную стружку, хотя по сравнению со стальной стружкой прочность ее низка.
Классификация И.А. Тиме не потеряла своего значения и в наше время, хотя и подверглась значительной конкретизации. Например: при обработке стали известно свыше 30 разновидностей стружки.
3.3 Механизмы образования стружки при свободном прямоугольном резании
Свободная поверхность стружки всегда неровная, обычно на ней заметны мелкие волны или зазубрины. Даже на прочной сливной стружке часто можно наблюдать трещины, разрывы. Поскольку полное описание механизма образования стружки сложно для анализа напряжений и деформаций при резании, реальный процесс стружкообразования заменяют его упрощенной моделью.
Не принимается во внимание искажение формы полученных листов реальной стружки и увеличение ее ширины; ее поперечное сечение представляют в виде прямоугольника с высотой, равной средней толщине стружки и шириной, равной первоначальной ширине резания.
Режущий клин действует на срезаемый слой толщиной а на контактной площадке шириной с. Сила R1, с которой инструмент передней поверхностью давит на срезаемый слой получила название силы стружкообразования. Линия ОК разграничивает области сжимающих (слева от ОК) и растягивающих (справа от ОК) напряжений в обрабатываемом материале ниже поверхности резания.
Рисунок 3.4 – Зоны первичной и вторичной деформации при превращении срезаемого слоя в сливную стружку
Линией ОА показана поверхность сдвига (скольжение), на которой сдвигающие напряжения равны пределу текучести с материала на сдвиг, то есть = с. Вся зона ОАВNО делится на подобные поверхности, на каждой из которых сдвигающие напряжения равны пределу текучести материала, уже получившего упрочнение в результате предшествующей деформации.
Последняя деформация сдвига обозначается на рисунке линией ОВ. На ней сдвигающие напряжения равны пределу текучести с на сдвиг материала, окончательно упрочненного в результате превращения срезаемого слоя в стружку.
Деформирование срезаемого материала при этом было бы законченным, если бы отсутствовало трение между контактной поверхностью стружки и поверхностью инструмента. Поскольку трение между указанными поверхностями имеется всегда, зерна стружки, находящиеся в непосредственной близости от контактной поверхности стружки, продолжают деформироваться и после выхода их из зоны первичной деформации. Так возникает зона II вторичной деформации стружки, ограниченная передней поверхностью инструмента и линией ОNД. Ширина ОД этой зоны приблизительно равна половине ширины площадки контакта С, а максимальная ее толщина D1 составляет примерно 0,1ас.
Степень деформации зерен во II зоне может в 20 и более раз превышать среднюю деформацию стружки.
Размеры зоны вторичной деформации и степень деформации зерен в этой зоне определяются силами трения на контактных поверхностях стружки и инструмента. Чем меньше силы трения, тем меньше размеры зоны II и деформация в ней зерен. При уменьшении a, увеличении g и применении СОЖ с сильно выраженными смазочными свойствами зона II практически исчезает.
При резании материалов средней пластичности на средних скоростях резания образуются стружки скалывания, при резании мягких пластичных материалов или тех же, но на больших скоростях резания образуются сливные стружки.
Под действием силы Р резец внедряется в обрабатываемый материал и производит смятие его в каком-то объеме. По мере перемещения резца длина площадки смятия lсм увеличивается и на обрабатываемый материал, на его
Элемент удерживается силой Р :
Для скалывания элемента необходимо, чтобы:
,
Отсюда видно, что размеры скалываемых элементов зависят от физико-механических свойств обрабатываемого материала, толщины среза, величины переднего угла и угла скалывания, величина которого сильно зависит от свойств внешней среды, в которой осуществляется резание.
Периодический характер образования стружки вызывает колебания силы резания, что делает процесс резания динамически неустойчивым.
Признаком стружек скалывания является наличие различимых на глаз крупных элементов. Скалывание элементов не приводит к разрушению металла, стружка представляет собой прочное тело из крепко соединенных друг с другом элементов.
Сливная стружка представляет собой сплошную ленту, в которой отдельные ее элементы не вооруженным глазом трудно различимы и не просматриваются. В отличие от процесса образования стружек скалывания, в сливных стружках деформация смятия происходит одновременно со сдвигом элементов. Как только произойдет его сдвиг, на плоскости сдвига металл упрочнится и элемент остановится, прекратит свое движение по плоскости скалывания. При остановке он снова сминается движущимся инструментом, площадка смятия у основания элемента увеличивается, сила Рсм становится больше Рск и элемент вновь сдвигается. И так происходит в течение всего времени образования стружки.
Процесс образования стружки здесь не заканчивается в зоне сдвига. При образовании сливных стружек процесс формирования их продолжается в течение всего времени движения по передней поверхности режущего инструмента.
При резании хрупких металлов образуются стружки надлома. Резец, внедряясь в металл, не сдвигает его, а сжимает и вырывает сжатый надломленный элемент. Разрушение идет по поверхности, произвольно охватывающей напряженную зону, поэтому обработанная поверхность получается неровной.
Виды стружки: основные свойства и характеристики, способы получения и сферы применения материала
Во время механической обработки древесины возникает несколько видов отходов: начиная мельчайшей древесной пылью и заканчивая крупной технологической щепой.
Но все же наиболее популярный и востребованный из всех видов вторичного древесного сырья – стружка.
Она различается по ряду признаков, которые определяют сферы ее использования.
В этой статье мы расскажем:
Также вы узнаете, как влияют характеристики стружки на ее применение, и для чего используют те или иные виды этих отходов.
Отличия от щепы и опилок по ГОСТу
В СССР и РФ приняты нормативные документы, которые определяют стандарт, позволяющий четко отличать один вид отходов от других.
Вот список этих ГОСТ:
Согласно этим документам, стружка – это отходы резания древесины любым способом, тогда как опилки появляются в результате распиливания, а щепа — в результате рубки.
Поскольку деление условно, многие придерживаются того, что материалы отличаются размером и формой.
Все маленькие отходы, длина которых меньше 5 мм, а толщина не превышает 1 мм, относят к опилкам. Отходы длиной свыше 5 мм и толщиной не превышающие 1 мм относят к стружке. Любые отходы толщиной свыше 1 мм относят к щепе.
Разновидности материала и свойства
Стружку удобно делить по:
Способ получения
Характеристики стружки напрямую зависят от способа их получения, поэтому сначала мы расскажем о тех операциях и инструментах, использование которых и приводит к появлению стружки. Основное деление происходит по способу воздействия:
Под ручным воздействием подразумевают любую обработку древесины, в которой используют ручные инструменты, такие как:
Рубанки и фуганки воздействуют на древесину под строго заданным углом, поэтому их можно использовать только для снятия тонкого слоя с деревянной детали и выравнивания поверхности.
Ножи, стамески и топоры можно использовать различными способами, поэтому в результате их применения возможно появление как стружки, так и щепы.
Под станочным воздействием подразумевают обработку древесины любым инструментом, который самостоятельно воздействует на древесину, поэтому оператору или работнику остается лишь направлять это воздействие. В большинстве случаев для воздействия используют фрезу (стальной цилиндр, барабан) с установленными на ней ножами необходимой формы.
По этому принципу работают:
Исключение составляют станки для производства древесной шерсти, которые работают по другому принципу.
В них основную работу выполняет каретка, которая движется вдоль лежащей на станке заготовки и срезает с нее тонкий (сотые доли мм) слой древесины, одновременно разрезая его на полоски шириной 3–6 мм.
Размеры и форма при резании
Во время любого резания древесины происходит отделение небольшого участка, размеры которого зависят от:
Кроме того, во время движения ножа поперек волокон их разрывает еще и по длине, ведь срезанный слой поднимается над обрабатываемой деталью, но длина волокон не увеличивается, и они рвутся. Поэтому продольная стружка всегда с относительно ровными краями, а поперечная всегда с острыми и рваными.
Не менее важна и толщина срезаемого слоя – чем он меньше, тем легче срезаемый слой отделяется от основной древесины.
Поэтому при ручной обработке рубанком или фуганком оптимальная толщина снимаемого слоя составляет 0,01–0,1 мм.
При такой толщине отделяемый слой легко изгибается и, закручиваясь, движется по ножу.
Поэтому стружка от этих инструментов напоминает спираль, чем меньше толщина снимаемого слоя, тем чище обрабатываемая поверхность, и тем сильней закручена стружка.
При машинной обработке оптимальная толщина снимаемого слоя составляет 1–3 мм. Дальнейшее уменьшение ведет к увеличению времени обработки, а снятие более толстого слоя приводит к слишком сильному воздействию поперек волокон, из-за чего страдает качество обработки.
Кроме того, важна и скорость подачи детали, ведь чем быстрей она движется, тем на большую глубину погружается нож поперек волокон.
Поэтому оптимальной является такая скорость подачи, при которой толщина снимаемой стружки составляет 0,01–0,1 мм. Причем чем меньше толщина каждой стружки, тем чище поверхность древесины после обработки.
Длина стружки при станочной обработке зависит от диаметра круга, проходящего через лезвия ножей. Чем больше диаметр этого круга, тем больше получается траектория движения ножа, во время которой он срезает древесину.
Когда обрабатываемая деталь только подходит к барабану, траектория движения ножа по древесине невелика, ведь ножи цепляют лишь самый край.
По мере продвижения обрабатываемой детали увеличивается и длина пути ножа по древесине.
Из-за слабой связи между волокнами в пределах одного слоя, многие стружки за время пути от фрезы до бункера вытяжной вентиляции ломаются и становятся гораздо короче, поэтому все отходы, собранные в бункере, имеют различную длину. В результате вперемешку собираются более крупная древесная и мелкая стружки.
На форму и размеры стружки также влияет влажность древесины, ведь чем больше в волокнах влаги, тем они мягче и гибче. Поэтому сложно обрабатывать древесину, если ее влажность меньше значения в 10%.
Однако и влажность свыше 18% осложняет обработку, ведь древесина становится слишком гибкой и мягкой, поэтому стружка периодически захватывает с собой часть слоя дальше ножа.
Когда это происходит, столяры говорят, что древесину задирает. Также задиры бывают при резании детали из древесины с перекрученными слоями.
При обработке древесины ножом, стамеской или топором действуют те же правила, которые работают в отношении остальных способов воздействия, поэтому форма стружки зависит от:
Порода древесины
В зависимости от породы древесины, из которой сделана стружка, соответственно, различают и ее разновидности.
и другие виды древесной стружки.
Порода древесины влияет на прочность связей как между волокнами в составе одного слоя, так и между соседними слоями.
Твердые породы, такие как:
отличаются высокой прочностью волокон в составе слоя, а также более сильной связью между соседними слоями. Кроме того, слои плотной и тяжелой древесины более жесткие, а значит и более ломкие.
Кроме того, стружка сохраняет удельную массу и удельную теплотворность исходной древесины, поэтому отходы обработки дуба и других твердых пород всегда будут тяжелей и теплотворней, чем отходы обработки сосны или осины.
Сохраняют стружки и все вещества, которые пропитывают исходную древесину, поэтому из смолистых пород, таких как:
получатся такие же смолистые отходы.
Сохраняются в стружке и такие характеристики древесины, как:
Теплопроводность древесины связана с такими факторами, как:
Чем плотней и тяжелей исходная древесина, тем плотней и тяжелей получатся отходы, влажность можно отрегулировать сушкой или замачиванием, а направление воздействия актуально лишь для целых бревен или других деревянных деталей.
В стружке все частицы расположены в разных направлениях, поэтому ее теплопроводность находится между этими же параметрами древесины, но при воздействии вдоль и поперек волокон.
Поэтому отходы обработки древесины плотных и тяжелых пород всегда будут менее теплопроводными, чем легких.
Способность впитывать воду связана со способностью волокон и капилляров расширяться, поэтому стружка легких пород, как и исходная древесина, будет впитывать больше воды, чем отходы обработки тяжелых пород.
Стойкость к болезням как у цельной древесины, так и у стружки, в первую очередь зависит от количества природных консервантов и антибиотиков, поэтому хвойная стружка, как и исходная древесина, будет менее подвержена болезням из-за высокого содержания смол.
Применение
Правильный выбор стружки многократно увеличивает эффективность ее применения, а неправильный наоборот, резко снижает.
Необходимо не только знать, какая разновидность отходов резания древесины подходит для тех или иных работ, но и уметь по внешнему виду определять, подойдет ли этот материал для данного действия.
Мы составили таблицу, в которую включили все виды стружки, исключая деление по породе древесины и влажности, а также различные способы ее применения. Чтобы все данные поместились в таблицу, мы присвоили каждому типу стружки свой номер:
Кроме того, мы будем описывать соответствие стружки тем или иным работам цифрами 1–3, где:
| Применение | СВ | СП | РВ | РП | НВ | НП | РФ | ДШ |
| Мульчирование огорода и создание компоста | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 |
| Подсыпка животным | 2 | 1 | 2 | 1 | 2 | 1 | 1 | 3 |
| Создание топливных брикетов и пеллет | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 2 | 1 |
| Копчение | 3 | 2 | 3 | 2 | 3 | 2 | 1 | 1 |
| Сжигание в отопительных котлах и печах | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 1 |
| Стружкобетон | 2 | 3 | 2 | 3 | 2 | 3 | 1 | 2 |
| Цементно-стружечные плиты (ЦСП) | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 2 | 3 |
| Транспортировка хрупких предметов | 1 | 1 | 2 | 1 | 1 | 1 | 1 | 3 |
| Производство спирта и биотоплива | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 |
| Утепление дома | 3 | 2 | 3 | 2 | 2 | 2 | 2 | 3 |
| Поделки | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 |
Вывод
Разновидностей древесной стружки встречается достаточно много. Получаемый вид зависит от способа резания и обработки, породы древесины и прочих факторов. Из данной статьи вы также узнали:
Также выяснили оптимальные сферы применения каждого из видов древесной стружки.