Процесс трения на рабочих поверхностях инструмента имеет как сходные черты, так и различия с процессом, возникающим при скольжении любых металлических поверхностей.

За исключением определенных плоскостей спайности кристаллов твердые поверхности имеют пространственные дефекты, которые превосходят по размерам атомные расстояния. При наложении одной поверхности на другую действительная площадь контакта Аr обычно составляет незначительную долю от идеальной (номинальной) площади Aa (рис. 3.19). Контактирование происходит по отдельным выступающим неровностям. При увеличении нагрузки на соединяющиеся поверхности площадь контакта увеличивается – первоначально за счет упругих деформаций. Однако уже при незначительном росте нагрузки деформация неровностей становится пластической, и площадь контакта Аr увеличивается прямо пропорционально прилагаемой нагрузке N, независимо от реальной или идеальной площади 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.

Многочисленными исследованиями контактной зоны при резании установлено, что на различных ее участках имеются условия для внешнего трения (участок В, рис. 3.20), сваривания и внутреннего сдвига (участок А, рис. 3.20) и переходного участка А–В, где эти условия существуют одновременно. При этих условиях перемещение материала заготовки по поверхности резца не может быть адекватно описано с применением терминов «скольжение» и «трение» в их обычном понимании. Традиционное понятие коэффициента трения непригодно для рассмотрения взаимосвязи между силами, возникающими в процессе резания, по двум причинам: во-первых, нет простой зависимости между силами, нормальными и параллельными поверхности инструмента, и, во-вторых, сила, параллельная контактной поверхности инструмента, зависит от площади контакта, являющейся очень важным параметром процесса резания металла. Условия, при которых происходит сцепление или соединение двух поверхностей, рассматриваются здесь как условия схватывания в отличие от условий скольжения на поверхности раздела.

Для упрощения принято считать, что поверхность трения на передней поверхности длиной l1 состоит из двух участков: участка 1 – BECF пластического контакта (рис. 3.21) длиной l0 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.

При высоких температурах и давлениях в зоне резания химически чистые (ювенильные) поверхности стружки и инструмента подвергаются адгезионному схватыванию – происходит прочное присоединение части контактного слоя стружки к передней поверхности инструмента и образование заторможенного слоя. В некоторых случаях обтекание этого слоя стружкой способствует возникновению новых заторможенных слоев металла, которые наращиваются друг на друга, пока этот заторможенный слой, называемый наростом, не достигнет максимально возможных размеров при данных условиях (рис. 3.23). Шероховатая поверхность каждого вновь образующегося заторможенного слоя создает благоприятные условия для проникновения кислорода воздуха и его диффундирования в поверхностные слои металла. Оксидные пленки уменьшают трение между стружкой и поверхностью нароста, поэтому каждый последующий заторможенный слой становится короче предыдущего, что придает наросту клиновидную форму.

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.

Строение нароста сложное (рис. 3.23, 3.24): основная его часть 2 – это «третье тело», прочно соединенное с поверхностью инструмента, на которое наращиваются последующие слои сходящей стружки; остальные части нароста – 1, расположенные на основной, имеют иное происхождение и являются частью застойной зоны.

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.

Вторым примером является возможность применения разверток с кольцевой заточкой задней поверхности, которые не имеют заднего угла. Подобные развертки успешно работают только при таких условиях резания, когда образуется нарост или застойная зона, выступающая над задней поверхностью.

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.

Все обрабатываемые материалы можно разделить на склонные к наростообразованию и не склонные к нему. К первым относятся медь, латунь, бронза, 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.

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).

При более высоких скоростях (см. рис. 3.26, зона II) 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.

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 (γф = –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.