Резанию большинства конструкционных материалов при определенных условиях сопутствует явление, называемое наростообразованием. Под наростом (рис. 1) понимают клиновидную, более или менее неподвижную область материала обрабатываемой заготовки, расположенную у лезвия инструмента перед его передней поверхностью.
Рис.1. Схема строения нароста
Если образуется сливная стружка, то при определенных условиях нарост может достаточно прочно присоединиться к передней поверхности, оставаясь на ней и после прекращения резания. При прерывистом резании и при образовании элементной стружки нарост на передней поверхности не удерживается, а уносится стружкой. Рассмотрение микрошлифов корней стружек показывает, что нарост имеет характерное слоистое строение, причем закругленная вершина нароста соединена со стружкой и срезаемым слоем. Рентгеноструктурный анализ нароста показал, что в его составе помимо деформированного материала срезаемого слоя присутствуют окисные пленки. Твердость нароста в 2,5-3 раза превосходит твердость обрабатываемого материала, из которого нарост образовался. Форму и размеры нароста можно характеризовать тремя основными параметрами: высотой Н, шириной подошвы l и углом gф. Закругленная вершина нароста свешивается над задней поверхностью инструмента.
С помощью высокочастотной киносъемки было установлено, что нарост не является полностью стабильным телом, а постоянно и чрезвычайно быстро изменяет свои размеры. В сотые доли секунды нарост возникает, увеличивает свою высоту до максимальной, а затем частично или полностью разрушается. Частота возникновения и срывов нароста растет с увеличением скорости резания и при V = 40 - 60 м/мин составляет 3000 - 4000 циклов в минуту. В наросте различают зоны (см. рис. 2): зону 1, где скорость движения материала изменяется от нуля до скорости движения стружки, и зону 2, где материал полностью неподвижен. Вследствие клиновидной формы и твердости, более высокой, чем твердость обрабатываемого материала, нарост какое-то время выполняет функцию режущего клина и образующаяся стружка вначале перемещается не по передней поверхности инструмента, а по наросту. Из-за того, что вершина нароста свешивается за лезвие инструмента, действительная толщина срезаемого слоя становится больше номинальной на величину Dа.
Рис.2. Влияние скорости резания на температуру резания, высоту нароста и фактический передний угол
Физическая природа наростообразования чрезвычайно сложна и до настоящего времени полностью не изучена. Однако трудами Я. Г. Усачева, А. Н. Еремина, А. И. Исаева, Н. Н. Зорева и других установлено, что для образования нароста необходимы следующие условия:
1) передняя поверхность инструмента на некоторой части площадки контакта должна быть полностью очищена от адсорбированных масляных и окисных пленок; 2) температура и нормальные контактные напряжения на передней поверхности должны быть такими, при которых в контактном слое стружки создается напряженное состояние, соответствующее невыполнению условия пластичности.
Процесс образования нароста схематично можно представить следующим образом. На ювенильных (химически чистых) поверхностях стружки и инструмента при определенных температуре и давлении создаются условия для адгезионного схватывания (соединения) материалов стружки и инструмента. В результате сил адгезии (сил молекулярного прилипания) происходит прочное присоединение контактного слоя стружки к передней поверхности и образование заторможенного слоя, служащего фундаментом для нароста. При скольжении стружки по заторможенному слою происходит аналогичное схватывание и образование следующего слоя нароста, приводящее к увеличению его высоты. Вследствие большей шероховатости образовавшегося слоя создаются благоприятные условия для проникновения кислорода воздуха и его диффундирования в поверхностные слои материала. Окисные пленки уменьшают трение между стружкой и поверхностью нароста, а поэтому каждый следующий нарощенный слой становится короче предыдущего и нарост приобретает клиновидную форму. Высота нароста растет до тех пор, пока его прочность становится недостаточной для восприятия нагрузки со стороны стружки, и нарост разрушается. Разрушению нароста способствует и то, что после достижения им определенной высоты стружка не полностью облегчает нарост, а между наростом, стружкой и поверхностью резания появляются зазоры, в результате чего тело нароста перестает находиться в условиях всестороннего сжатия.
Обычно нарост разрушается не весь, а только его верхняя, менее прочная область. Одна часть разрушенного нароста уносится стружкой, а вторая - поверхностью резания. После разрушения нарост вновь возрастает до предельной для конкретных условий резания высоты, опять разрушается и т. д. На размеры нароста основное влияние оказывают род и механические свойства обрабатываемого материала, скорость резания, толщина срезаемого слоя (подача), передний угол инструмента и род применяемой смазочно-охлаждающей жидкости. Все материалы можно разделить на материалы, не склонные к наростообразованию и склонные к наростообразованию. К первым можно отнести медь, латунь, бронзу, олово, свинец, большинство титановых сплавов, белый чугун, закаленные стали, легированные стали с большим содержанием хрома и никеля; ко вторым - конструкционные, углеродистые и большинство легированных сталей, серый чугун, алюминий, силумин. Если материал склонен к наростообразованию, то размеры нароста Н и l возрастают при уменьшении твердости и повышении пластичности материала.
Наиболее сложно на размеры нароста влияет скорость резания (рис. 2). При очень малых скоростях резания (зона I) нароста нет. При повышении скорости резания от v1 до v2 высота нароста вначале растет, достигая максимального значения при некотором значении скорости v3, а затем начинает уменьшаться (зона II). В зоне III при любой скорости резания, большей v3 нарост отсутствует. При резании среднеуглеродистых конструкционных сталей зона I соответствует скоростям резания менее 0,5 - 1, а зона III - более 80 - 100 м/мин. Максимальную высоту нарост имеет при скоростях резания 15 -30 м/мин. Экспериментально установлено, что при наиболее распространенных условиях резания сталей нарост имеет максимальную высоту при таком значении скорости резания, при котором температура q » 3000, и исчезает при значении скорости, при которой температура q » 600°С. Уменьшение размеров нароста при температурах более 300°С объясняется значительным снижением сопротивления материала нароста пластическому сдвигу. По мере увеличения скорости резания (температуры на передней поверхности) изменяются не только размеры нароста, но его форма. Как видно из микрофотографий нароста при скоростях резания, меньших v2, форма нароста характеризуется большим отношением – H/l и большой величиной угла gф. По мере уменьшения высоты нароста отношение -. и угол gф также уменьшаются, нарост становится относительно тоньше и шире и постепенно вырождается в слой, параллельный передней поверхности инструмента.
Рис. 3. Влияние скорости резания на высоту нароста при различных передних углах g и толщинах а срезаемого слоя
На рис. 3 а, б представлено влияние скорости резания на высоту нароста при различных передних углах и толщинах срезаемого слоя (подачах). Независимо от величины переднего угла и толщины срезаемого слоя кривые Н = f(v) имеют горбообразную форму, но при меньших передних углах и больших толщинах срезаемого слоя высота кривых больше, а основание меньше. Кроме того, чем меньше передний угол и больше толщина срезаемого слоя, тем при меньшем значении скоростей резания высота нароста достигает максимума и становится равной нулю. Это понятно, так как при уменьшении угла g и увеличении толщины а скорость резания должна быть меньше, чтобы температура резания достигла значений 300 и 600°С. Из рис. 3 видно, что для скоростей резания, соответствующих восходящим ветвям кривых, высота нароста уменьшается при уменьшении толщины срезаемого слоя и увеличении переднего угла инструмента. Если передний угол g > 40 - 45°, то при любых условиях обработки нарост не образуется.
Все то, что может уменьшить силы адгезии на передней поверхности инструмента, уменьшает размеры нароста. Поэтому при применении смазочно-охлаждающих жидкостей, образующих при адсорбции на материале инструмента прочные смазочные пленки и снижающих коэффициент трения, высота нароста становится меньше.
Возникновение нароста изменяет условия работы инструмента. Так как нарост выполняет функции режущего клина, инструмент работает с фактическим передним углом gф значительно большим, чем угол заточки g, причем чем больше высота нароста (см. рис. 2), тем больше разность gф - g. Как будет показано ниже, увеличение фактического переднего угла уменьшает степень деформации срезаемого слоя и силы резания.
Эксперименты показывают, что при определенных скоростях резания нарост выполняет защитные функции по отношению к инструменту. Перемещаясь по наросту, стружка отодвигается от лезвия, изнашивая переднюю поверхность на значительно большем расстоянии от лезвия, чем в том случае, когда нарост отсутствует. Свешивающаяся вершина нароста предохраняет заднюю поверхность инструмента от соприкосновения с поверхностью резания. Таким образом, нарост препятствует изнашиванию контактных поверхностей инструмента. 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 (рис. 4).
Рис. 4. Разрушение вершины нароста и образование неровностей на поверхности резания
Все это увеличивает шероховатость обработанной поверхности, и, таким образом, зона II скоростей резания 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 СПИД с частотой, равной частоте образования и полного или частичного разрушения нароста. Оба последних обстоятельства делают крайне нежелательным возникновение нароста при чистовой обработке.