Что такое нарост при резании определение
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.
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).
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 γд (γд > 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 γυ.
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 γυ увеличивается. Увеличение γд 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 γд (рис. 4.6).
Рис. 4.6. Схема влияния температуры резания θ на высоту нароста H и действительный передний угол γд
При θ = θ3 = 600º нарост исчезает и при более высоких температурах действительный передний угол равен статическому (γд = 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.
Наростообразование и явление наклепа при обработке резанием
Нарост – слой металла, образующийся на передней поверхности инструмента при некоторых условиях резания. Нарост состоит из сильно деформированного металла, твердость которого в 2 – 3 раза превышает твердость обрабатываемого металла, а структура отличается от структуры обрабатываемого металла и стружки.
Схема образования нароста следующая. При большом трении стружки о резец происходит срыв оксидных пленок с поверхностей. Если температура и давление на ювенильных (химически чистых) поверхностях достаточно высоки, то создается условия для адгезии (слипания при молекулярном взаимодействии), в результате которой происходит прочное присоединение контактного слоя стружки к передней поверхности и образование заторможенного слоя, служащего фундаментом для нароста. При скольжении стружки по заторможенному слою происходит образование следующего слоя нароста по аналогичному механизму, приводящее к увеличению высоты H нароста (рис.4.11, а).
Образование нароста – нестабильное явление. В процессе обработки нарост растет, достигает максимального значения, затем под действием сил трения частично или полностью разрушается и уносится со стружкой или вдавливается в обработанную поверхность. Частота срывов нароста зависит от скорости резания и достигает нескольких сот циклов в секунду (до 10 2 …10 3 Гц).
| а) | б) |
 |  |
| Рис.4.11. Образование нароста (а) и изменение углов резания при наростообразовании (б). |
Образование нароста ведет к увеличению переднего угла γ (рис.4.11, б), при этом снижается сила резания и износ инструмента. Значит, при трубой черновой обработке, когда возникают большие силы резания, снимается толстый слой металла и выделяется значительное количество тепла, наростообразование – положительное явление. Однако при чистовой обработке образование нароста снижает чистоту поверхности и точность обработки. Значит, при чистовой (окончательной) обработке наростообразование – отрицательное явление.
Наростообразование зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, скорости резания, геометрии режущего инструмента и других факторов.
Материалы склонные к образованию нароста при обработке резанием: углеродистые стали и большинство легированных сталей, серый чугун, алюминий, силумин. Причем, чем меньше твердость и выше пластичность такого материала, тем больше размеры нароста (H и l на рис.4.11а), т.е. образование сливной стружки способствует росту нароста.
Материалы не склонные к образованию нароста: медь, латунь, бронза, олово, свинец, титановые сплавы, белый чугун; стали с большим содержанием никеля и хрома.
Применение смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ), тщательная доводка передней поверхности инструмента для снижения коэффициента трения между ней и отходящей стружкой уменьшают наростообразование.
Рис.4.12. Пластическая деформация металла при резании.
Инструмент всегда имеет радиус закругления режущего лезвия ρ (рис.4.12), обычно ρ ≈ 0,02 мм. Инструмент может срезать с заготовки стружку только, если условная глубина резания превышает радиус закругления вершина лезвия, т.е. t > ρ, при этом в стружку переходит только часть 1 срезаемого слоя, оставшаяся часть слоя 2 (см. рис.4.12), толщина которой примерно равна ρ, упруго и пластически деформируется, образуя обработанную поверхность. В результате обработанная поверхность получает наклеп (упрочнение), при этом возрастает твёрдость (иногда до 2 раз) и появляются остаточные напряжения. Остаточные напряжения могут быть растягивающими или сжимающими. При V = 300. 500 м/мин и отрицательных передних углах γ обычно возникают сжимающие остаточные напряжения. Сжимающие остаточные напряжения повышают предел выносливости детали, а растягивающие – снижают. Поэтому упрочнение поверхности при резании – полезное явление лишь при условии создания сжимающих остаточных напряжений. На процесс же резания наклеп оказывает отрицательное влияние: упрочнение, полученное при черновой обработке, быстро затупляет инструмент и повышается шероховатость при последующей чистовой обработке.
Что такое нарост при резании определение
ОСНОВЫ ТЕОРИИ РЕЗАНИЯ МАТЕРИАЛОВ
Лекция 3.5.
Трибология процесса резания материалов.
Наростообразование
Зоны пластического деформирования (Продолжительность видео 1 минута)
Влияние скорости резания на процесс наростообразования (Продолжительность видео 3 минуты)
Стружкообразование (Продолжительность видео 6 минут)
Нарост на резце (Продолжительность видео 2 минуты)
Текст для чтения вслух (Microsoft Edge) и с мобильных устройств
Процесс трения на рабочих поверхностях инструмента имеет как сходные черты, так и различия с процессом, возникающим при скольжении любых металлических поверхностей.
Сила трения в этом случае является силой, необходимой для разделения или пластического деформирования площадок фактического контакта на вершинах выступов. Она также увеличивается прямо пропорционально нормальной силе. Их отношение есть величина примерно постоянная и называется коэффициентом трения. Таким образом, представления о скольжении, внешнем трении и коэффициенте трения применимы для решения многих практических задач, в которых напряжения на поверхностях малы по сравнению с пределом текучести материалов.
Для упрощения принято считать, что поверхность трения на передней поверхности длиной l 1 состоит из двух участков: участка 1 – BECF пластического контакта (рис. 3.21) длиной l 0 и участка 2 – EHDKFC упругого контакта, где, судя по визуальным наблюдениям, контакт прерывистый. На участке 1 расположен заторможенный слой, в пределах которого стружка движется не по передней поверхности, а по заторможенному (приваренному) слою, и сопротивление, оказываемое движению стружки, определяется сопротивлением сдвигу в контактном слое стружки с учетом температуры этих слоев. На этом участке внешнее трение скольжения отсутствует и заменяется более энергетически выгодным – «внутренним» трением между отдельными слоями стружки. На участке 2 стружка контактирует в условиях внешнего трения скольжения и сопротивление движению стружки определяются силой трения между стружкой и передней поверхностью инструмента.
Интенсивность адгезионного схватывания инструментального материала с обрабатываемым во многом определяется склонностью первого к образованию на нем под действием кислорода воздуха окисных пленок, препятствующих схватыванию. Для инструментальных материалов, склонных к образованию более прочных окисных пленок, коэффициент адгезионного трения и средний коэффициент трения меньше. В связи с этим средний коэффициент трения для однокарбидных сплавов больше, чем для двухкарбидных, а для быстрорежущей стали больше, чем для однокарбидных сплавов. С увеличением в твердом сплаве содержания карбидов титана средний коэффициент трения уменьшается. Наименьший коэффициент трения для КНБ и алмаза.
Если резание производится с СОТС, создающей граничный смазочный слой, препятствующий образованию интерметаллических соединений, а заторможенный слой на передней поверхности отсутствует, то вся площадка контакта определяется упругим взаимодействием стружки с передней поверхностью. В этом случае трение между стружкой и передней поверхностью является внешним.
Если образовавшийся заторможенный слой охватывает всю ширину площадки контакта, то внешнего трения нет, и средний коэффициент трения будет характеризовать процессы пластической деформации, происходящие в контактном слое стружки.
Несмотря на очень большое давление, оказываемое стружкой на переднюю поверхность, окружающая среда и смазочно-охлаждающая жидкость могут проникать на большую часть площадки контакта. Объясняется это рядом обстоятельств. Передняя поверхность инструмента после заточки и поверхность стружки покрыты неровностями, в результате чего между ними нет сплошного контакта. Свежеобразованная химически чистая контактная поверхность стружки обладает исключительно высокой поверхностной и химической активностью, что способствует мгновенному проникновению под стружку смазочно-охлаждающей жидкости или окружающей среды.
В результате этого на части площадки контакта образуется граничный слой смазки (рис. 3.22) или пленки окислов, нитридов, гидридов и т.п. и устанавливается режим полусухого трения. Граничный смазочный слой 1 полностью или частично устраняет действие сил адгезии, и сопротивление движению стружки по передней поверхности определяется не механическими свойствами обрабатываемого материала, а свойствами смазочно-охлаждающей технологической среды или образовавшегося химического соединения.
Под наростом понимают клиновидную, относительно неподвижную область обрабатываемого материала, расположенную на передней поверхности лезвия у его режущей кромки. Нарост – сложное по химическому составу агрегатное состояние материала 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, например, в случае твердого сплава.
Изучение влияния нароста и застойной зоны на процесс резания имеет большое практическое значение, так как многие специфические явления, наблюдаемые при работе сложного многолезвийного инструмента (протяжек, разверток, метчиков и т. д.), невозможно понять без учета влияния нароста и застойной зоны.
Например, при протягивании можно обеспечить устойчивый процесс стружкообразования при очень малых толщинах срезаемого слоя, порядка 0,005 мм, независимо от радиуса округления режущей кромки, если образуется нарост, который закрывает собой округленную часть кромки. При использовании активных СОТС нарост исчезает и стабильная работа при таких тонких срезаемых слоях становится невозможной.
Третьим примером является резкое падение, из-за уменьшения нароста при значительных углах схода стружки, стойкости винтовых цилиндрических фрез при переходе от умеренных углов наклона режущей кромки (ω ≤ 45°) к очень большим (ω = 70°).
С помощью скоростной киносъемки установлено, что в большинстве случаев нарост – образование нестабильное. При достижении определенной высоты его прочность оказывается недостаточной и он разрушается (рис. 3.25), причем частота срывов может достигать 3000…4000 раз в минуту (при V = 40…60 м/мин). 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 равновесного всестороннего сжатия. Разрушенный нарост частично уносится стружкой, частично поверхностью 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.
Экспериментально установлено, что при наиболее распространенных условиях резания сталей нарост имеет максимальную высоту при таком значении скорости резания, при котором температура θ ≈ 300°С, и исчезает при значении скорости, при которой температура θ ≈ 600°С. Уменьшение размеров нароста при температурах более 300°С объясняется значительным снижением сопротивления материала нароста пластическому сдвигу вследствие его размягчения. По мере увеличения скорости резания (температуры на передней поверхности) изменяются не только размеры нароста, но и его форма (рис. 3.26).
При относительно низких скоростях резания и температурах образуется нарост первого вида (см. рис. 3.26, зона I ). 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 невелик. 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).
С дальнейшим возрастанием скорости резания и температуры клиновидное тело преобразуется в нарост третьего вида (см. рис. 3.26, зона III ). Его форма становится прямоугольной или близкой к трапецеидальной, имеет значительную высоту. Действительный передний угол режущего клина чаще всего небольшой, иногда меньше нуля (γ ф = –5. 15°). Нарост значительно выступает за заднюю поверхность и защищает ее от непосредственного контакта с поверхностью резания, фактически трансформируясь в 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 и температурах резания возникает нарост четвертого вида (см. рис. 3.26, зона IV ), 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.
Левее первой зоны и правее четвертой нарост практически не образуется, хотя заторможенный слой существует.
В зоне скоростей резания, соответствующих максимальной высоте нароста, наблюдается резкое увеличение шероховатости обработанной поверхности. При периодическом разрушении вершины нароста, связанной со срезаемым слоем, на поверхности резания и обработанной поверхности образуются надрывы и борозды, а часть нароста внедряется в обработанную поверхность. Все это увеличивает шероховатость обработанной поверхности, и, таким образом, зона II скоростей и температур резания (см. рис. 3.26) наименее благоприятна для чистовой обработки.
При росте нароста, его разрушении и последующем возрастании происходит периодическое изменение фактического переднего угла инструмента и, как следствие, периодические изменения силы резания. Поэтому при максимально развитом наросте могут возникнуть вынужденные колебания системы станок–инструмент–приспособление–заготовка (СПИЗ) с частотой, равной частоте образования и полного или частичного разрушения нароста.
Все перечисленные обстоятельства делают крайне нежелательным возникновение нароста при чистовой обработке. Поэтому при обработке материалов, склонных к наростообразованию, для устранения отмеченных нежелательных явлений необходимо работать в такой зоне скоростей, где нарост не образуется.