Токарное дело

Нарост и его влияние на процесс резания

Нарост и его влияние на процесс резания. При резании вязких металлов на передней поверхности резца у режущей кромки часто обнаруживается кусочек приварившегося металла, называемый наростом. Явление нароста состоит в следующем. При скольжении стружки по передней поверхности резца возникают силы трения, задерживающие ее движение. Вследствие этого деформация в слоях металла, расположенных ближе к передней поверхности резца, увеличивается. Частицы металла этих слоев отделяются от непрерывно движущихся верхних слоев стружки и привариваются к передней поверхности резца, образуя нарост. Большое давление резания способствует упрочнению металла нароста. С течением времени нарост увеличивается (за cчет наращивания новых слоев металла), причем образуется часть нароста, свешивающаяся над задней поверхностью резца (б). В некоторый момент эта часть нароста отрывается от основной массы и, попадая между задней поверхностью резца и обработанной поверхностью (в), вдавливается в последнюю ( г).

Частота нароста

Частицы нароста, оставшиеся на передней поверхности резца, также отрываются от него и уносятся со стружкой (д). Такие срывы нароста происходят быстро один за другим (70—80 срывов в секунду), что объясняется, по-видимому, вибрациями, возникающими в процессе резания.

Образование и срыв нароста.

При низких скоростях (3—5 м/мин) нарост не образуется. При более высоких скоростях резания (до 60— 80 м/мин) стали средней твердости происходит более или менее заметное образование нароста. При скорости свыше 60—80 м/мин нарост наблюдается реже, а при еще более высоких скоростях он совсем не заметен.

Нарост обладает повышенной твердостью и поэтому может резать обрабатываемый материал, защищая режущую кромку от непосредственного воздействия стружки. В этом случае соприкосновение стружки с резцом происходит на площадке передней поверхности, удаленной от режущей кромки. Это улучшает условия работы резца при обдирочной работе.

При чистовых работах нарост вреден. Сорвавшиеся и вдавленные в обработанную поверхность частицы нароста образуют неровности, недопустимые при чистовой обработке деталей. При резании чугуна и других хрупких металлов нарост не образуется.
Силы, действующие на резец. В результате сопротивления срезаемого слоя металла деформации сжатия, трения стружки о переднюю поверхность резца и некоторых других причин возникает сила резания.
При работе токарного резца эта сила разлагается на три составляющие — собственно силу резания Рz силу подачи Рх и радиальную силу Ру. Сила резания Pz, касательная к поверхности резания, действует в направлении главного движения. Сила Рх действует в направлении подачи. Радиальная сила Ру перпендикулярна к подаче. Все три силы измеряются в килограммах (кг).

Источник

Влияние нароста на процесс резания

В процессе резания, сопровождающегося отделением стружки с поверхности вращающейся заготовки, при определённых условиях происходит налипание обрабатываемого материала на переднюю поверхность инструмента. Образуется так называемый нарост с достаточно высокой твёрдостью, которая в два, а то и три раза выше, чем у самого материала заготовки.

Становясь своеобразной частью режущего инструмента, нарост меняет геометрические показатели технологического процесса, непосредственно участвуя в процессе обработки заготовок и оказывая влияние на конечный результат.

Во время обработки нарост разрушается, скалываясь с поверхности резцов, но затем он вновь образуется. Причём часть нароста выводится со стружкой, но некоторое количество вдавливается в обтачиваемую заготовку.

Чтобы уменьшить нарост рекомендуется снизить шероховатость передней плоскости резца и если это возможно увеличить передний угол. Также очень эффективно для снижения нежелательного нароста использовать специальные охлаждающие жидкости.

Стоит отметить, что при резании чугуна и других материалов, отличающихся хрупкостью, нарост не образуется.

Как правило, нарост на режущем инструменте образуется при работе с заготовками из относительно вязких металлов. Суть явления сводится к тому, что на передней грани резцов в процессе обработки возникают силы трения, вызванные скольжении стружки, что несколько задерживает её ход. Причём деформации, проистекающие в слоях металла которые находятся ближе к передней грани, увеличиваются. В итоге металлические частицы из этих слоёв отделяются от постоянно движущихся слоёв стружки и привариваются к передней грани резца.

Большое давление, возникающее в процессе резания, способствует упрочнению в металле образовавшегося нароста. По прошествии некоторого времени нарост неизбежно увеличивается, причём при налипании всё новых слоёв часть нароста начинает свешиваться над задней гранью головки инструмента.

В определённый момент процесса обработки часть нароста отрывается и попадает между обрабатываемой поверхностью и задней гранью режущего инструмента. В итоге она вдавливается в последнюю, как показано на рисунках ниже.

Вдавливание нароста в обрабатываемую поверхность

Частицы нароста, которые остаются на передней грани резца также подвергаются отрыву. Они уносятся вместе со стружкой, образующейся в процессе обработки. Подобные отрывы нароста происходят довольно часто, последовательно, один за другим (от 70 до 80 в секунду).

Часть нароста уносит стружка

При малых скоростях обработки в пределах от 3 до 5 метров в минуту нарост не образуется вовсе. При обработке стали средней твердости со скоростью резания в пределах от 60 до 80 метров в минуту наблюдается уже заметное формирование нароста.

При более интенсивной обработке, со скоростью резания превышающей 60 – 80 метров в минуту нарост образуются довольно редко. При дальнейшем увеличении скорости резания нарост становится и вовсе не заметен.

Так как нарост обладает довольно высокой твёрдостью, при образовании он начинает резать обрабатываемый металл, тем самым в некоторой степени способствуя защите режущей кромки от воздействия трения стружки.

Для обдирочных, черновых работ нарост оказывается, даже полезен, так как несколько продлевает ресурс резцов. Однако на чистовых работах образование нароста вредно в виду того что при обработке сорвавшиеся и вдавленные в обработанную поверхность частички металла будут вызывать нежелательные неровности, а свисание нароста будут влиять на конечный размер готовой детали.

Источник

Наростообразование при резании металлов

При обработке пластичных металлов резанием на передней поверхности инструмента образуется слой металла, который называют наростом. Это сильно деформированный металл, структура которого отличается от структур обрабатываемого металла и стружки.

Образование нароста объясняется тем, что геометрическая форма инструмента не идеальна с точки зрения обтекания ее металлом. При некоторых условиях обработки силы трения между передней поверхностью инструмента и частицами срезанного слоя металла становятся больше сил внутреннего сцепления, и при наличии определенных температурных условий металл прочно оседает на передней поверхности инструмента.

В процессе обработки резанием размеры и форма нароста непрерывно меняются в результате действия сил трения между отходящей стружкой и внешней поверхностью нароста. Частицы нароста постоянно уносятся стружкой, увлекаются обработанной поверхностью заготовки, иногда нарост целиком срывается с передней поверхности инструмента и тут же вновь появляется (рис. 1.8.1, а). Объясняется это тем, что нарост находится под действием силы трения Т, сил сжатия P₁, и P₂ и силы растяжения Q (рис. 1.8.1, б). С изменением размеров нароста меняется соотношение действующих сил. Когда сумма сил P₁, P₂ и Q становится больше силы трения Т, то происходят разрушение и срыв нароста. Частота срывов нароста зависит от скорости резания и может достигать нескольких сотен в секунду.

Рис. 1.8.1. Схемы образования и разрушения нароста (а) и силы, действующие на нарост (б)

Нарост существенно влияет на процесс резания и качество обработанной поверхности заготовки, так как при его наличии меняются условия стружкообразования.

Положительное влияние нароста заключается в том, что при наличии его меняется форма передней поверхности инструмента, что приводит к увеличению переднего угла, следовательно, к уменьшению силы резания. Вследствие высокой твердости нарост способен резать металл. Нарост удаляет центр давления стружки от режущей кромки, в результате чего уменьшается износ режущего инструмента по передней поверхности. Нарост улучшает теплоотвод от режущего инструмента.

Отрицательное влияние нароста заключается в том, что он увеличивает шероховатость обработанной поверхности. Частицы нароста, внедрившиеся в обработанную поверхность, при работе детали с сопрягаемой деталью вызывают повышенный износ пары. Вследствие изменения наростом геометрии режущего инструмента меняются размеры обрабатываемой поверхности в поперечных (диаметральных) сечениях по длине заготовки и обработанная поверхность получается волнистой. Вследствие изменения переднего угла инструмента изменяется сила резания, что вызывает вибрацию узлов станка и инструмента, а это, в свою очередь, ухудшает качество обработанной поверхности.

Следовательно, при грубой черновой обработке, когда возникают большие силы резания, снимается толстый слой металла и выделяется значительное количество теплоты, нарост положителен и, наоборот, при чистовой окончательной обработке нарост отрицателен, так как снижает качество обработанной поверхности.

Наростообразование зависит от физико-механических свойств обрабатываемого металла, скорости резания, геометрии режущего инструмента и других факторов. Наиболее интенсивно нарост образуется при обработке пластичных металлов. Считают, что наибольшее наростообразование при обработке пластичных металлов происходит при скоростях резания 18 – 30 м/мин, а при скоростях резания до 12 м/мин и более 50 м/мин нарост на режущем инструменте не образуется.

Исследование процесса наростообразования позволяет дать рекомендации по борьбе с ним в условиях чистовой обработки. Это изменение геометрии режущего инструмента и скорости резания, применение смазочно-охлаждающих жидкостей, тщательная доводка передней поверхности инструмента для снижения коэффициента трения между ней и отходящей стружкой.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Нарост при резании

При резании широкой номенклатуры конструкционных материалов при определенных условиях (режимах резания) на передней поверхности инструмента образуется нарост [2] (рис. 4.5).

В сечении главной секущей плоскостью нарост имеет форму клина. Нарост состоит из частиц обрабатываемого материала. Твердость нароста в 2,5…3,5 раза выше твердости обрабатываемого материала. Поэтому он выполняет роль режущего инструмента, изменяя действительный передний угол γ_д (γ_д > γ). Нарост всегда увеличивает передний угол инструмента.

Рис. 4.5. Схема образования нароста

В связи с этим нарост оказывает существенное влияние на процесс деформации, силу и температуру резания.

Нарост может выступать за режущую кромку (∆a – приращение толщины среза), изменяя тем самым размеры обработанной поверхности.

Важнейшей особенностью нароста является его способность разрушаться и вновь образовываться, вызывающая колебания технологической системы.

При этом часть нароста уносится со стружкой, а другая его часть остается на обработанной поверхности детали, увеличивая тем самым шероховатость поверхности.

В тех случаях, когда нарост становится достаточно устойчив, он способен защищать заднюю и переднюю поверхности инструмента от износа.

Установлено, что при малых температурах резания нарост не образуется. Это связано с тем, что при малых температурах резания (что имеет место при малых скоростях резания) недостаточно велики силы молекулярного прилипания (адгезии), удерживающие основание нароста на передней поверхности инструмента.

С увеличением температуры резания условия молекулярного прилипания улучшаются.

Заторможенный на передней поверхности слой принимает форму клина, ибо только в такой форме нарост способен резать обрабатываемый материал.

Так как температура резания еще не слишком велика, нарост способен упрочняться, принимать большие размеры и большие передние углы γ_υ.

Однако нарост больших размеров очень неустойчив. Он быстро разрушается и возникает вновь. При этих условиях он оказывает особенно сильное влияние на шероховатость поверхности.

Таким образом, с увеличением температуры резания действительный передний угол γ_υ увеличивается. Увеличение γ_д наблюдается лишь до некоторой температуры резания. Для конструкционных сталей эта температура равна примерно 300 ºС. При θ > 300 ºС нарост разупрочняется, и с повышением θ высота нароста уменьшается, вместе с тем уменьшается и γ_д (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Схема влияния температуры резания θ на высоту нароста H и действительный передний угол γ_д

При θ = θ₃ = 600º нарост исчезает и при более высоких температурах действительный передний угол равен статическому (γ_д = γ).

С учетом явления наростообразования зависимости коэффициента усадки стружки и сил резания от скорости резания выражаются типичными горбооразными кривыми (рис. 4.7).

Рис. 4.7 Схема влияния скорости резания V на коэффициент усадки стружки K и силу резания P

Причем скорости V₁ соответствует температура θ = 80…100 ºС, скорости V₂ – температура θ₂ = 300 ºС, а скорости V₃ – температура θ₃ = 600 ºС.

При обработке таких материалов, как медь, латунь, бронза, олово, закаленные стали, большинство титановых сплавов, белый чугун, стали с большим содержанием хрома и никеля нарост не образуется.

Меры борьбы с наростом. Уменьшение высоты нароста и его влияние на шероховатость и точность обработки достигается за счет:

· уменьшения толщины срезаемого слоя и увеличения переднего угла;

· применения смазочно-охлаждающих жидкостей;

· выбора режимов резания, при которых температура резания θ > 600 ºС.

· предварительного нагрева или охлаждения заготовки.

Источник

Образование нароста и состояние материала под поверхностью резания

При резании металлов срезаемый слой в результате пластического деформирования приобретает повышенную физическую активность и, будучи плотно прижатым силами нормального давления к передней поверхности режущего инструмента, схватывается (сваривается) с ней.

Схватыванию обрабатываемого материала с материалом инструмента способствуют высокая температура в зоне резания и то обстоятельство, что при резании в контакт вступают вновь образованные ювенильные физико-химически чистые, свободные от каких-либо пленок поверхности. Первоначально на поверхности контакта стружки с передней поверхностью происходят точечные контакты с образованием налипов на передней поверхности. С течением времени число таких налипов растет и они покрывают площадь контакта сплошной тонкой пленкой из обрабатываемого материала, которая называется первослоем. Поскольку этот первослой обладает абсолютным сродством с обрабатываемым материалом, акты схватывания между ними происходят чаще и интенсивнее с образованием более крупных наслоений. Схватывание и наслаивание микрообъемов обрабатываемого металла на переднюю поверхность инструмента приводит к образованию на ней слоя упрочненного микролегированного материала, прочно соединенного с инструментом. Процессы периодического cхватывания и последовательного наслаивания упрочненного материала стружки повторяются многократно, в результате на передней поверхности образуется новое довольно крупное тело, называемое наростом. Из представленной на рис. 1 фотографии хорошо видно ярко выраженное слоистое строение нароста. Форма нароста зависит от свойств обрабатываемого материала, элементов режима резания и других конкретных условий обработки. Нарост состоит из основания и вершины. Вершина является неустойчивой частью нароста, она, по мере увеличения высоты нароста, разрушается и уносится из зоны стружкообразования, сходящей по ней стружкой (как это видно на рис. 1) или поверхностью резания обрабатываемой заготовки (см. рис. 4)

Рис. 1. Строение нароста

Из параметров режима резания на интенсивность образования, размеры и форму нароста наиболее сильно влияет скорость резания. На очень малых скоростях резания нарост не удерживается на передней поверхности металлорежущего инструмента, из-за мелко-элементной сыпучей стружки с увеличением скорости интенсивность образования нароста возрастает лишь до какого-то значения скорости, после которого интенсивность его образования и размеры начинают уменьшаться.

На рис. 2 представлены корни стружки, полученные, при точении стали 45 с разными скоростями резания.

Рис. 2. Корни стружки с наростом, полученные при точении, стали 45. Скорость резания: а. — 13, б. — 28 и в. — 55 м/мин

Здесь видно, что скорость резания сильно влияет на размеры и форму нароста. Нарост наибольшей высоты образуется на скорости 13 м/мин. На скорости 28 м/мин. образуется нарост меньшей высоты и другой формы. На сравнительно большой скорости резания 55м./мин. нароста уже почти нет. Можно предположить, что на такой скорости температура в зоне резания выше температуры «отдыха» обрабатываемого материала, под влиянием которой материал нароста разупрочняется и не может противостоять истирающему действию обрабатываемого материала.

Поскольку нарост образуется из сильно деформированного металла, твердость которого намного больше твердости исходного обрабатываемого, то и нарост в целом имеет высокую твердость, в 2. 3 раза превосходящую твердость обрабатываемого материала. Наличие высокой твердости позволяет наросту успешно противостоять воздействию стружки и выполнять работу самого режущего инструмента. Он служит продолжением инструмента и принимает на себя его функции. Химический и микроструктурный анализы нароста показали, что в составе нароста задерживается наиболее сильно упрочняющаяся перлитная структурная составляющая обрабатываемого материала, которая и обеспечивает высокую твердость нароста.

Нарост на режущем инструменте образуется не всегда, а только в тех случаях, когда условия резания благоприятствуют этому. Необходимыми условиями существования нароста являются следующие:

Обрабатываемый материал должен обладать способностью упрочняться при пластическом деформировании.

Температура в зоне резания должна быть ниже той температуры, при которой происходит разупрочнение материала нароста.

Должна образовываться сливная стружка. При образовании стружек скалывания нарост не удерживается на передней поверхности вследствие прерывистости процесса резания.

Коэффициент трения в зоне контакта обрабатываемого материала с передней поверхностью должен быть больше единицы.

Если условия для существования нароста вполне подходящие, нарост образуется и существенно влияет на параметры процесса резания и состояние обработанной поверхности (рис. 5.3). Образование нароста изменяет фактическую геометрию инструмента, передний угол увеличивается и становится больше переднего угла, приданного инструменту при его заточке (). Процесс резания происходит легче. Поверхность нароста, обращенная к стружке, становится продолжением передней поверхности инструмента. Изменение фактического угла резания вызывает изменение характера процесса образования стружки.

Рис. 3. Влияние нароста на величину переднего угла, толщину среза и шероховатость поверхности резания

В случае свешивания вершины нароста над задней поверхностью инструмента изменяется фактическая толщина среза. Фактически толщина среза . Сказанное, иллюстрируется, представленной на рис. 3 схемой зоны резания с наростом и иллюстрируется представленной на рис. 4 фотографией нароста, полученного, при резании коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т. На ней случайно, но очень удачно запечатлен момент разрушения вершины нароста, которая уносится из зоны

Рис. 4. Корень стружки с разрушающимся наростом

образования стружки с поверхностью резания.

А – часть вершины нароста на поверхности резания,

– угол скалывания до разрушения нароста,

– угол скалывания после разрушения нароста.

Здесь надо обратить внимание на изменение положения плоскости скалывания. Вслед за разрушением нароста уменьшается угол скалывания и увеличивается толщина образующейся стружки. Нарост представляет собой тело твердое, но неустойчивое, он периодически разрушается, и фактическая толщина среза постоянно меняется вслед за изменением размера нароста. По этой причине обработанная поверхность получается неровной, со следами надиров и вырывов. Располагаясь на передней поверхности и свешиваясь над задней поверхностью, нарост закрывает главную режущую кромку и предохраняет ее от разрушения.

В некоторых случаях нарост бывает настолько устойчив, что в течение всего периода резания исключает контакт стружки с передней поверхностью инструмента. Так на рис. 5 представлены фотографии быстрорежущего проходного упорного резца с наростом и после его удаления.

Рис. 5. Фотографии проходного упорного резца со стороны главной задней поверхности (вверху ) и со стороны передней поверхности (внизу ), с наростом (слева ) и после его удаления (справа )

После удаления нароста на передней поверхности резца «под наростом» обнаружились следы доводки передней поверхности порошком карбида бора.

Эти следы в виде мелких царапин стертые за пределами нароста, свидетельствуют о том, что нарост надежно защищал переднюю поверхность от действия стружки в течении всего времени резания.

Образование нароста, защищающего режущий инструмент от изнашивания, в этом смысле следовало бы признать полезным явлением. Однако, несмотря на это, явление образования нароста следует признать нежелательным, как неуправляемое.

Кроме образования нароста при срезании стружки происходит деформация материала под поверхностью резания. Обрабатываемый материал здесь подвергается упругопластической деформации. Это происходит по двум причинам. Во-первых, потому, что режущее лезвие всегда имеет какое-то округление радиусом (рис. 6).

Рис. 6. Деформация и упругое последействие в зоне резания

В силу этих причин материал под поверхностью резания оказывается пластически деформированным, в нем появляются остаточные напряжения, уравновешивающиеся внутри объема металла под поверхностью резания.

Верхние слои металла оказываются сильно разрушенными. Анализ состояния металла под поверхностью резания (см. рис.5.6) показывает, что там обнаруживаются 3 зоны: I – зона больших пластических деформаций; II – зона наклепанного металла; III – зона исходного металла. Состояние материала под поверхностью резания в целом оценивается: 1-глубиной проникновения пластической деформации h и степенью упрочнения его поверхностных слоев C. Степенью упрочнения называется отношение твердости упрочненного поверхностного слоя к твердости основного (недеформированного) металла:

.

Степень упрочнения и глубина деформации зависят от толщины среза, скорости резания, геометрии режущего инструмента, свойств обрабатываемого материала и других факторов.

Данный материал основан на лекциях Подгоркова Владимира Викторовича (д.т.н., проф. кафедры ТАМ, Ивановский государственний энергетический университет)

Источник