6. Явления, сопутствующие процессу резания и влияющие на качество обработки

6.1. Общая характеристика

Процессу резания сопутствует множество явлений различной физической природы. Здесь рассматриваются лишь те, которые не являются органической необходимостью процесса резания и проявляются лишь при благоприятных для них условиях. Из этих явлений наибольшее значение имеют те, которые оказывают влияние на качество обработки. К ним относятся наростообразование, деформационное упрочнение поверхностного слоя (наклеп), вибрации в процессе резания, образование остаточных напряжений.

6.2. Нарост

В процессе резания металлов при благоприятных условиях на передней поверхности инструмента образуется нарост, представляющий собой клиновидное тело из обрабатываемого материала, соединенное с передней поверхностью инструмента. Нарост имеет слоистое строение (см. рис.6.1). Твердость его вследствие упрочнения превышает твердость обрабатываемого материала и поэтому он выполняет функцию режущего лезвия.

Рис.6.1. Геометрия и строение нароста

Нарост не является устойчивым. Образование нароста путем наращивания слоев, постепенное увеличение его размеров сменяется мгновенным, частичным или полным его разрушением. На рис.6.2 показаны стадии существования нароста.

Рис.6.2. Стадии образования нароста

Стадия 1 соответствует моменту, когда резец прошел путь из точки А, соответствующей началу образования нароста, в точку В. На поверхности резания нарост оставил след в виде борозды 1. В стадии 2 размеры нароста и глубина следа увеличились. В стадии 3 размеры нароста достигли предельных. Под действием силы давления Р и силы трения стружки F он разрушается. Часть А остается на поверхности резания, часть В уносится стружкой. В дальнейшем все повторяется. Частота разрушения нароста в некоторых случаях достигает 50...100 раз в секунд.

Существуют две точки зрения о причинах образования нароста. Согласно первой, нарост является заторможенным слоем стружки, когда сила трения между передней поверхностью и стружкой превышает сопротивление материала стружки сдвигу.

Согласно второй точке зрения нарост - застойная зона, образование которой обусловлено тем, что силы, действующие на срезаемый слой, находящийся непосредственно у режущей кромки, направлены по вектору скорости резания и уравновешены в перпендикулярном направлении. Вследствие этого материал стружки в окрестности режущей кромки не перемещается по передней поверхности и служит очагом образования нароста.

Рис.6.3. Застойная зона АВС при внедрении пуансона

Образование застойной зоны проще понять на примере внедрения пуансона в заготовку (см. рис.6.3). При внедрении пуансона под действием силы Р впереди его образуется застойная клиновидная зона ABC, движущаяся вместе с пуансоном. Силы, действующие на материал в зоне ABC в направлении, перпендикулярном силе Р, уравновешены.

Более правильной следует считать компромиссную точку зрения, объединяющую вышеуказанные причины.

Рис. 6.4 Нарост-застойная зона	Рис. 6.5. Нарост-заторможенная зона

По форме нароста можно судить о том, какая из указанных причин является главной в его образовании. Если размер нароста в направлении скорости резания превышает его размер вдоль передней поверхности (см.рис.6.4), то нарост - застойная зона. Если же, наоборот, размер нароста вдоль передней поверхности значительно превышает его размер в направлении скорости резания, то нарост - заторможенный слой стружки (см.рис.6.5).

Геометрия нароста и его размеры определяются режимом резания, физико-механическими свойствами материалов инструмента и обрабатываемой заготовки, геометрией инструмента и другими факторами.

Рис.6.6. Влияние скорости резания

на высоту нароста:

1 – нарост; 2 – обратнотекущий слой

Скорость резания оказывает немонотонное влияние на высоту нароста. В зоне малых скоростей нарост не образуется. При скоростях V₀ < V < V_c (см. рис.6.6) образуется нарост. Причем для каждой скорости резания характерны определённые размеры нароста для стадии 3 (см.рис.6.2). Чем больше скорость резания в пределах V₀<V<V_н, тем больше размеры нароста. При V_н образуется нарост наибольших размеров. При дальнейшем увеличении скорости, которое неизбежно сопровождается повышением температуры, нарост вследствие нагревания размягчается, размеры его уменьшаются и при скорости V_c он переходит в качественно новое состояние - в текущий слой, движущийся в направлении, противоположном движению стружки. Поэтому этот слой называется обратно текущим (см.рис.6.6). Обработанная поверхность при этом имеет блестящий вид. С этого момента резание является скоростным. Установлено, что моменту возникновения обратно текущего слоя соответствует определенная температура, зависящая главным образом от температуры плавления обрабатываемого материала. Так, скоростное резание стали происходит при температуре не ниже K, алюминиевых сплавов - не ниже K. Таким образом, скоростное резание - это резание, сопровождающееся обратнотекущим слоем. Этот слой существует при температурах резания, превышающих вышеуказанную. Поскольку на температуру резания наибольшее влияние оказывает скорость резания, меньшее - подача и незначительное - глубина резания, то практически существуют два способа достижения температуры, необходимой для образования обратнотекущего слоя. Первый способ заключается в увеличении скорости резания, второй - в увеличении подачи. Однако между этими способами есть существенная разница: увеличение подачи для образования обратнотекущего слоя сопровождается увеличением силы резания, в то время как увеличение скорости резания, наоборот, приводит к ее снижению. Поэтому скоростное резание при больших подачах, обеспечивающих образование обратнотекущего слоя, происходит при большой силе резания и называется силовым резанием.

Влияние других факторов процесса резания на образование нароста следует рассматривать с точки зрения влияния каждого из них на температуру.

Так, увеличение подачи, глубины резания, угла резания, угла в плане, прочности обрабатываемого материала способствует повышению температуры и, следовательно, будет уменьшать скорости V₀, V_н и V_c.

Влияние нароста на показатели обработки следует рассматривать в связи с требованиями, предъявляемыми к ней, т.е. является ли она чистовой или черновой. Так, при черновой обработке нарост – благоприятное явление, так как он, во-первых, увеличивает передний угол и приводит тем самым к уменьшению силы резания и, во-вторых, закрывает переднюю и заднюю поверхности инструмента, устраняя воздействие стружки и заготовки на инструмент, и уменьшает износ последнего. При чистовой обработке нарост - отрицательное явление, так как он является одной из основных причин образования отклонений размеров и шероховатости обработанной поверхности. Поэтому необходимо знать способы устранения нароста либо уменьшения его вредного влияния. Они вытекают из природы нароста: чтобы устранить нарост либо уменьшить его размеры, надо уменьшить трение между стружкой и инструментом путем применения надлежащей смазывающей среды, перехода на скоростное резание, уменьшения шероховатости передней поверхности инструмента, увеличения переднего угла, сообщения инструменту либо детали высокочастотных колебаний. Кроме этого, можно уменьшить вредное влияние нароста на качество обработки путем увеличения угла в плане до либо применения отрицательного угла наклона режущей кромки.