Наростообразование при резании материалов

Резанию многих материалов при определенных условиях сопутствует явление, называемое наростообразованием. Под наростом понимают клиновидную, относительно неподвижную область материала, расположенную на передней поверхности лезвия у его режущей кромки. Нарост ‑ сложное по химическому составу агрегатное состояние металла, состоящее из продуктов взаимодействия обрабатываемого и инструментального материалов и окружающей среды. Он состоит из слоев сильно деформированного обрабатываемого материала с включениями оксидов и карбидов обрабатываемого и инструментального материалов, а также кобальта, входящего в состав твердого сплава. Строение нароста сложное: основная часть прочно соединена с поверхностью инструмента, на нее наращиваются последующие слои сходящей стружки; остальные части нароста расположены на основной части, имеют иное происхождение и являются частью т. н. застойной зоны.

Основная часть нароста после формирования выполняет функции передней поверхности инструмента. Вследствие этого сокращается длина контакта стружки с передней поверхностью, т. е. происходит укорочение последней. При воздействии укороченной передней поверхности инструмента на срезаемый слой в переходной пластически деформируемой зоне возникает объемная пластическая деформация. Металл деформируется не только в плоскости стружкообразования, но и вдоль режущих кромок инструмента. При металлографическом анализе застойная зона имеет вид эквидистантных полос, приближающихся по форме к эллиптическим, причем каждая из них замыкается на давящей поверхности инструмента, роль которого выполняет основная часть нароста. При интенсивном схватывании обрабатываемого и инструментального материалов и высоком пределе прочности на сдвиг сформированных в застойной зоне вторичных структур может происходить трансформация застойной зоны или части ее в нарост.

Процесс образования нароста схематично можно представить следующим образом. При определенных температурах и высоких давлениях в зоне резания химически чистые (ювенильные) поверхности стружки и инструмента подвергаются адгезионному схватыванию ‑ происходит прочное присоединение контактного слоя стружки к передней поверхности инструмента и образование заторможенного слоя. Обтекание этого слоя стружкой способствует возникновению новых заторможенных слоев металла, которые наращиваются, пока нарост не достигнет максимально возможных размеров при данных условиях; шероховатая поверхность каждого вновь образующегося заторможенного слоя создает благоприятные условия для проникновения кислорода воздуха и его диффундирования в поверхностные слои метала. Оксидные пленки уменьшают трение между стружкой и поверхностью нароста, и каждый последующий заторможенный слой становится короче предыдущего, что приводит к образованию нароста клиновидной формы. При достижении определенной высоты его прочность оказывается недостаточной и он разрушается. Разрушению нароста способствует и то, что он не полностью охватывается стружкой, т. е. между наростом, стружкой и поверхностью резания появляются зазоры, в результате чего он перестает находиться в условиях всестороннего сжатия.

Разрушенный нарост частично уносится стружкой, частично поверхностью детали. Так как сходящая стружка скользит не по вершине резца, а по передней поверхности нароста, передний угол лезвия увеличивается, что способствует облегчению процесса резания. Вследствие высокой твердости нароста, он, выполняя функции режущего лезвия, отчасти предохраняет переднюю и заднюю поверхности инструмента от истирания их сходящей стружкой и обработанной поверхностью и уменьшает нагревание. Это приводит к уменьшению изнашивания инструмента, т. е. к повышению периода его стойкости. Наличие нароста увеличивает шероховатость обработанной поверхности, поскольку при разрушении нароста часть его уносится стружкой, а часть остается на обработанной поверхности детали.

Размеры нароста зависят от соотношения сил трения между образующейся стружкой и передней поверхностью лезвия инструмента и сил сцепления (сопротивления сдвигу) обрабатываемого и инструментального материалов: чем больше сила трения превышает силу сцепления, тем больше размеры нароста.

С помощью скоростной киносъемки установлено, что в большинстве случаев нарост ‑ образование нестабильное. В каждой точке режущей кромки нарост возникает, увеличивается до максимальной высоты, затем частично или полностью разрушается, причем частота срывов может достигать 1000 или даже 2000 Гц.

Нарост не следует путать с налипами. Налипы на передней поверхности появляются при резании практически всегда. По имеющимся данным, они представляют наслоения, вытянутые вдоль направления схода стружки, длиной до 10 мкм, высотой 3...5 мкм, шириной 5...10мкм. При резании с наростом вблизи него возникают налипы в 2-3 раза крупнее указанных размеров. Отличительной особенностью налипов является соответствие их структуры структуре обрабатываемого материала.

Учитывая встречающиеся формы нароста и особенности его контакта с передней и задней поверхностями лезвия, предложена его классификация.

При относительно низких скоростях резания образуется нарост первого вида. Он имеет форму, близкую к треугольной, мало развит по высоте, имеет небольшой радиус округления вершины. Задний угол нароста близок к нулю, поэтому он практически не выступает за заднюю поверхность инструмента. Передний угол нароста велик. Как следствие, сходящая стружка контактирует с передней поверхностью инструмента за наростом. Структура нароста представляет собой слои, почти параллельные передней поверхности (с замыканием концов этих слоев на передней поверхности).

При более высоких скоростях образуется нарост второго вида значительной высоты, с большим передним углом и задним углом, достигающим 5...12°. Стружка постоянно контактирует с передней поверхностью нароста, примыкающей к его вершине, а с остальной частью контакт прерывистый. Основание нароста, примыкающее к передней поверхности, достаточно стабильно, а его верхняя часть часто разрушается и уносится стружкой или поверхностью резания. На прирезцовой стороне стружки заметна зона вторичных деформаций.

С дальнейшим возрастанием скорости резания этот нарост преобразуется в нарост третьего вида. Его форма становится прямоугольной или близкой к трапецеидальной, имеет значительную высоту. Действительный передний угол режущего клина чаще всего небольшой. Нарост значительно выступает за заднюю поверхность и защищает ее от непосредственного контакта с поверхностью резания. Фактически ‑ это инструмент с укороченной передней поверхностью. Над вершиной нароста развивается застойная зона, а на стружке заметна вторичная деформация. Наросты такого вида наиболее стабильны, их срыв происходит крупными частицами или полностью.

Наконец, при еще более высоких скоростях резания возникает нарост четвертого вида, по форме и расположению близкий к первому. За счет малой высоты и большого действительного переднего угла сходящая стружка на некотором расстоянии от режущей кромки входит в плотный контакт с передней поверхностью. Текстура такого нароста выражена слабо. Это ‑ нестабильное образование, постоянно изменяющееся во всем объеме. Разрушение его происходит не за счет срыва, а путем постоянного стекания с лезвия. При этом нарост размазывается по поверхности резания и прирезцовой стороне стружки.

Возникновение описанных разновидностей наростов характерно для обработки сталей и чугунов, они встречаются при различных сочетаниях режимов резания, что вызвано различными условиями трения на площадке контакта. Сила трения зависит от температуры, возникающей в зоне образования стружки, т. е. температуры, которая определяется скоростью резания. Поэтому основной причиной изменения условий наростообразования с изменением скорости резания является температура резания. От последней в значительной степени зависит коэффициент трения стружки о переднюю поверхность инструмента. При низких скоростях, когда температура в зоне резания невелика, коэффициент трения относительно небольшой, поэтому нароста здесь еще нет или он очень мал. При повышении скорости резания растет температура, а следовательно, и коэффициент трения стружки о переднюю поверхность инструмента, который становится максимальным при достижении какой-то определенной температуры. В этот момент нарост наибольший. При дальнейшем повышении скорости и температуры резания наступает размягчение пограничных слоев металла; уменьшаются коэффициент трения и размеры нароста.

На высоту нароста оказывают влияние также физико-механические свойства обрабатываемого материала: пластичность и прочность, толщина среза, передний угол инструмента, условия охлаждения и смазывания в зоне резания и т. д. Чем менее пластичен материал, чем меньше толщина срезаемого слоя, чем больше передний угол, тем меньше высота нароста.

Характер рассмотренных зависимостей объясняется условиями трения стружки о переднюю поверхность инструмента и температурой в зоне резания. Чем выше скорость резания,тем выше и температура в зоне резания. Факторы, способствующие повышению температуры резания, вызывают сдвиг кривой влево. Наоборот, факторы, способствующие уменьшению трения, приводит к уменьшению температуры, а следовательно, и нароста, и кривая смещается вправо.

С применением СОЖ кривая переходит из положения 1 в положение 2.

Закономерности изменения размеров нароста совершенно аналогичны закономерностям изменения высоты неровностей на обработанной поверхности от скорости резания. Это вызвано тем фактором, что при разрушении частицы нароста остаются на обработанной поверхности, резко ухудшая ее шероховатость.

Все материалы, подвергаемые обработке резанием, можно разделить на несклонные и склонные к наростообразованию. К первой группе относятся медь и ее сплавы, большинство титановых сплавов, белый чугун, закаленные стали, стали с большим содержанием хрома и никеля, ко второй ‑ углеродистые и большинство легированных сталей, серый чугун, алюминиевые сплавы. При обработке этих материалов для снижения шероховатости обработанной поверхности необходимо:

1) работать в такой зоне скоростей, когда нарост не образуется, например, в зоне очень низких скоростей резания; однако это влечет за собой снижение производительности обработки, поэтому выгоднее работать в зоне высоких скоростей, когда образовавшийся нарост не задерживается на лезвии инструмента;

2) снижать шероховатость передней поверхности режущего инструмента, применяя доводку при его заточке;

3) изменять физико-химические свойства поверхностных слоев контактных площадок инструмента за счет нанесения тонкопленочных покрытий или микролегирования;

4) по возможности увеличивать передний угол лезвия;

5) применять СОЖ, уменьшающие трение на передней поверхности лезвия инструмента;

6) уменьшать пластичность обрабатываемого материала за счет применения специальной термической обработки или использовать стали с присадками.

Дата добавления: 2014-01-15