На задней поверхности инструмента

2.4. Наростообразование при резании металлов

При резании ряда металлов и особенно широкой номенклату­ры углеродистых сталей в определенных температурно-скоростных условиях на передней поверхности инструмента воз­никает клинообразный, очень твердый нарост, являющийся, по сути, продолжением режущего клина инструмента (рис.2.4). На­рост оказывает существенное влияние на характеристики процесса резания (деформацию и силы), а также на стойкость инструмента и шероховатость обработанной поверхности. Исследованию этого явления посвящено большое число работ, однако многие вопросы до сих пор являются спорными.

Принято считать, что нарост на передней поверхности инст­румента образуется из заторможенного слоя срезаемого металла при определенном напряженном состоянии зоны резания, когда наблюдается разрушение металла в самой стружке, уже прошед­шей деформацию в условной плоскости сдвига. В этом случае стружка перемещается не по передней поверхности инструмента, а по наросту, примерная схема образования которого показана на рис. 2.15.

Рис. 2.15. Схема образования нароста

Исследования шлифов «корней» стружек показали, что нарост нависает над задней поверхностью инструмента, имеет слоистое строение и закругленную вершину (рис. 2.16). При этом передний угол инструмента γ увеличивается до фактического переднего угла γ_ф, т.е. γ_ф > γ.

Рис. 2.16. Схема строения нароста

С помощью высокочастотной киносъемки было установлено, что нарост не является полностью стабильным слоем. Периодиче­ски его верхние слои обновляются и сам он полностью или час­тично разрушается. При этом частота возникновения и срывов на­роста доходит до 3000...4000 циклов/мин. При резании вершина нароста опускается ниже линии среза и поэтому толщина срезае­мого слоя больше номинальной толщины на некоторую величину Δа (см. рис. 2.16).

При разрушении нароста часть его внедряется в обработан­ную поверхность, а часть уносится со стружкой (рис. 2.26). Силы сцепления нароста с передней поверхностью достаточно большие, и поэтому часто наблюдается разрушение твердосплавных инст­рументов, имеющих пониженное сопротивление разрыву. По этой причине твердые сплавы рекомендуется использовать только на тех режимах резания, когда нарост отсутствует.

Рис. 2.17. Схема разрушения нароста

Характерным признаком наростообразования является высо­кая шероховатость обработанной поверхности, вызванная вне­дрившимися частицами разрушенного нароста. Хотя нарост и пре­дохраняет заднюю поверхность инструмента от контакта с обрабо­танной поверхностью, однако полностью освободить ее от износа не может из-за периодических срывов и внедрения остатков на­роста в обработанную поверхность.

На размеры нароста (высота H, длина подошвы l, фактический передний угол γ_ф) основное влияние оказывают механические свойства обрабатываемого материала, толщина а срезаемого слоя (подача s), передний угол γ и применяемая СОЖ (см. рис. 2.16).

Ряд таких материалов, как медь и ее сплавы, титановые спла­вы, высоколегированные стали с большим содержанием хрома и никеля, закаленные стали и белый чугун практически не образуют нароста. У металлов, склонных к наростообразованию, размеры нароста тем больше, чем пластичнее металл и меньше его проч­ность и твердость. Нарост появляется уже на малых скоростях ре­зания при комнатной температуре и характеризуется в этом случае слабой устойчивостью. При повышении скорости резания v темпе­ратура резания Θ растет и при температуре резания Θ ~ 300 °С (в диапазоне скоростей резания соответствующих наростообразованию), высота нароста Н достигает максимума. При дальнейшем повышении скорости резания в диапазоне нарост уменьшается из-за уменьшения его прочности и совсем исчезает при такой скорости резания, когда температура резания Θ ~ 600 °С.

Влияние на наростообразование СОЖ из-за трудностей про­никновения последней на площадку контакта при высоких удель­ных давлениях проявляется главным образом через изменение температуры резания. Поэтому при использовании СОЖ область наростообразования расширяется, смещаясь в сторону больших скоростей резания. При этом устойчивость и стабильность нароста на всех скоростях резания повышается, а коэффициент трения снижается. Это объясняется частичным попаданием СОЖ через микропоры, трещины, неровности, особенно с боковых сторон сходящей стружки.

Влияние переднего угла γ и толщины среза а на высоту нарос­та н носит монотонный характер. С увеличением переднего угла и толщины среза высота нароста уменьшается. В тоже время при изменении скорости резания v кривые Н = f(v) носят «экстремальный» характер с максимумом высоты нароста н при скорости резания v, когда температура Θ = 300°С. Если увеличи­вать передний угол до максимально возможной по условиям проч­ности режущего клина величины γ = 40...45°, то нарост не образу­ется при любых скоростях резания. С дальнейшим ростом темпе­ратуры резания Θ снижаются прочность нароста и силы его сцеп­ления с передней поверхностью инструмента. При температуре резания Θ = 600 °С высота нароста Н уменьшается до 0.

Это относится к случаям образования как сливной, так и суставчатой стружек. При образовании элементной стружки на­рост появляется даже при резании чугунов, но, не успевая достичь развитой формы, разрушается. При резании некоторых металлов, например алюминия, нарост не имеет необходимой твердости и поэтому превращается в налип на передней поверхности, который значительно увеличивает сопротивление сходящей стружки и тем самым оказывает негативное влияние на процесс резания.

Характер изменения нароста и коэффициента трения позволил следующим образом объяснить влияние скорости резания v на за­кономерности изменения основных характеристик процесса реза­ния: усадки стружки к и силы резания r.

С ростом скорости резания в диапазоне V1...V2 (наростообразования) температура резания Θ растет, что сопровождается увеличением высоты нарос­та н, а следовательно и фактического переднего угла γ_ф. С ростом скорости резания от V2 до V3 увеличивается температура резания и на­рост становится менее прочным и его высота уменьшается до пол­ного исчезновения при температуре резания Θ = 600 °С.

Резание в области отсутствия нароста, т.е. на скоростях V > V3, сопровождается уменьшением среднего коэффициента тре­ния μ_ср из-за увеличения удельного нормального напряжения σ_N. В свою очередь это вызывает уменьшение угла действия ω = η - γ и увеличение угла наклона условной плоскости сдвига Ф. В резуль­тате происходит снижение усадки стружки к и силы резания r.

При резании металлов, не образующих нарост, усадка струж­ки к, средний коэффициент трения μ_ср и сила резания (стружкооб­разования) r с увеличением скорости резания монотонно снижа­ются.