4.3. Наростообразование.

При некоторых условиях резания на передней поверхности режущего клина инструмента у его режущей кромки образуется так называемый нарост (рис. 4.3). Он имеет клиновидную форму с закругленной вершиной, которая соединена со стружкой и срезаемым слоем. Нарост представляет собой более или менее неподвижную область сильно сдеформированного обрабатываемого металла. Нарост имеет характерное слоистое строение, в его составе присутствуют окисные пленки. Твердость нароста в 2..3 раза превосходит твердость обрабатываемого материала. Форма и размеры характеризуются 3-мя параметрами: высотой Н, шириной подошвы и фактическим передним углом , который больше . Закругленная вершина свешивается над задней поверхностью, располагаясь ниже поверхности резания на величину . В процессе резания нарост возникает, увеличивает свою высоту до максимальной, а затем частично или полностью разрушается, после чего снова растет и т.д. Частота возникновения и срывов нароста достигает 3000…4000 и даже 8000 циклов в минуту. Физическая природа наростообразования чрезвычайно сложна и до настоящего времени полностью не изучена. Однако трудами Я.Г. Усачева, А.Н. Еремина, А.И. Исаева, Н.Н. Зорева и др. установлены условия, необходимые для образования нароста.

Рис. 4.3. Нарост на передней поверхности инструмента.

Схематично образование нароста можно представить следующим образом. На ювенильных (химически чистых, без окислов) поверхностях стружки и инструмента при определенных температуре и давлении создаются условия для адгезионного, т.е. молекулярного, схватывания (соединения) материалов стружки и инструмента. В результате сил адгезии (сил молекулярного сцепления) происходит прочное присоединение контактного слоя стружки к передней поверхности и образование заторможенного слоя, служащего фундаментом для нароста. При скольжении стружки по заторможенному слою происходит аналогичное схватывания и образование следующего слоя нароста, приводящего к увеличению его высоты. Из-за попадания кислорода и образования окисных пленок каждый следующий слой становится короче, и нарост приобретает клиновидную форму. Нарост растет до тех пор, пока его прочность становится недостаточной, и он разрушается.

Рис.4.4. Схема влияния скорости резания на температуру резания и высоту нароста.

Нарост оказывает существенное влияние на процесс резания. Причем это влияние может быть как положительным, так и отрицательным.

1. Значительно увеличивается фактический передний угол , в результате чего уменьшаются степень деформации срезаемого слоя и силы резания.

2. Нарост выполняет защитные функции, препятствуя износу передней и задней поверхностей инструмента. Однако это справедливо только при определенных условиях, когда нарост разрушается частично. При полном разрушении вместе с частичками нароста могут, уносится и частицы инструментального материала, вследствие чего износ будет интенсивнее.

3. При периодическом разрушении нароста на поверхности резания и обратной поверхности образуются надрывы, борозды, а часть нароста внедряется в обработанную поверхность (см. рис. 4.3). В результате шероховатость и снижается точность обработки. Особо резкое ухудшение качества поверхности наблюдается при условиях, соответствующих максимальной высоте нароста.

4. При росте нароста, его разрушении и последующем возрастании происходит периодическое изменение физического переднего угла и, как следствие, периодическое изменение силы резания. Поэтому при максимально развитом наросте могут возникать вынужденные колебания системы СПИД с частотой, равной частоте разрушения нароста. Такие колебания особо нежелательны при чистовой обработке.

На размеры нароста основные влияния оказывают следующие факторы:

1. Род и механические свойства обрабатываемого металла.

Все материалы можно разделить на не склонные и склонные к наростообразованию. К первым можно отнести медь, латунь, бронзу, олово, свинец, большинство титановых сплавов, белый чугун, закаленные стали, легированные стали с большим содержанием хрома никеля; ко вторым – конструкционные, углеродистые и большинство легированных сталей, серый чугун, алюминий, силумин. Размеры нароста возрастают с уменьшением твердости и повышением пластичности материала. Для конструкционных углеродистых сталей высота может достигать Н = 0,6…0,8 мм. Наибольшие размеры нароста образуются при обработке алюминия (более 1 мм).

2. Наиболее сложно на размеры нароста влияет скорость резания (рис. 4.4.). Для среднеуглеродистых конструкционных сталей при очень малых скоростях резания до V = 0,5… 1 м/мин (зона I) нарост не образуется. При повышении скорости резания нарост растет, достигая максимума при V = 15… 30 м/мин, а затем уменьшается (зона II). При V = 80… 100 м/мин (зона III) нарост не образуется. Экспериментально установлено, что образование нароста начинается при температуре, близкой к комнатной, максимальная высота соответствует и исчезает при вследствие уменьшения сопротивления материала нароста пластическому сдвигу.

3. С увеличением толщины срезаемого слоя а высота нароста увеличивается, причем возникновение, максимум и исчезновение нароста происходят при меньших скоростях, которые соответствуют достижению соответствующих температур резания (300⁰ и 600⁰), при которых образуется нарост.

4. Аналогично влияет на нарост и уменьшение переднего угла . Если , то при любых условиях обработки нарост не образуется.

5. Применение СОЖ уменьшает высоту нароста.

В итоге можно сделать следующие выводы:

а) при черновой обработке нарост допустим и даже при некоторых условиях полезен, т.к. уменьшает износ инструмента;

б) при чистовой обработке нарост крайне нежелателен из-за увеличения шероховатости и снижения точности обработки. Поэтому II зона скоростей резания наименее благоприятна для чистовой обработки наростообразующих материалов. Особенно следует избегать скоростей, соответствующих максимальному наросту. Зона I из-за низкой производительности практически неприемлема. Таким образом, наиболее рационально для чистовой обработки использовать III зону скоростей резания.