Износ режущего инструмента. Параметры износа

В процессе резания происходит затупление режущей кромки инстру­мента, снижающее его режущие свойства. При затуплении нарушаются ус­ловия стружкообразования, возрастают силы резания, ухудшаются точность обработки и качество обработанной поверхности.

Затупление режущей кромки обусловливается ее износом (рис. 31.8). По механизму затупления режущей кромки условно выделяют следующие виды износа инструмента: макро- и микросколы, пластическая деформация, абра­зивно-механический, абразивно-химический, адгезионно-усталостный и диффузионный.

Хрупкие микросколы возникают в твердосплавном инструмен­те из-за попадания в зону обработки крупных частиц повышенной твердости. Это может быть неустойчивая часть нароста или частицы оксидов и формо­вочных смесей при резании отливок и поковок.

Макросколы режущей кромки возникают под действием изгибающих напряжений, превышающих допустимые, особенно при ударных нагрузках.

Пластическая деформация. В процессе резания инструмента­ми из быстрорежущих и углеродистых сталей наблюдается пластическое деформирование режущего клина, приводящее к опусканию передней и выпучиванию задней поверхности. В результате опускания передней по­верхности изменяется передний угол и, соответственно, условия резания

(рис. 31.8, г).

Рис. 31.8. Характер износа режущего клина: а — износ по передней поверхности, 6 — износ по задней поверхности, в — износ по передней и задней поверхностям; г — пластическая де­формация; 1,3 — зоны упругой деформации; 2 — зона ползучести; /Л) Ал — длина и глубина лунки;/— размер фаски; hy, ha — размер опус­кания передней поверхности и выпучивания по задней поверхности; И, — длина площадки износа, Гр — трещина (скол)

Ползучесть и разру­шение режущей кромки. Деформирование режущего клина в результате пластической деформации металла происходит в зоне изотерм, которые простираются от передней к задней поверхности инструмента (рис. 31.8, г). По этим изотермам (350—500 °С) и при постоянной на­грузке на инструмент наблюдается процесс ползучести.

В результате ползучести мате­риала в зоне 2 на границе с зонами 1 и 3 накапливаются высокие сте­пени деформаций. Происходит дислокационное упрочнение, вы­зывающее хрупкое разрушение

твердосплавного инструмента на границе зон / и 2. Длительность работы инструмента до скола увеличивают снижением интенсивности процесса пол­зучести за счет увеличения сечения режущего клина, повышения твердости ко­бальтовой связки при легировании вольфрамом, увеличения теплопроводности твердого сплава.

Абразивно-механический износ инструмента обу­словлен микроцарапанием и разрушением передней и задней поверхностей инструмента твердыми компонентами обрабатываемого материала (карби­дами, нитридами, упрочняющими интерметаллидными фазами, оксидами) и мелкими частицами периодически разрушающегося нароста. Абра­зивному изнашиванию подвергается инструмент из углеродистых, легиро­ванных, инструментальных, а также быстрорежущих сталей.

Абразивно-химический износ инструмента происхо­дит, когда в составе СОЖ содержатся химически активные вещества, ослаб­ляющие поверхностное напряжение инструментального материала. В ре­зультате облегчается процесс абразивного разрушения материала при мик­роцарапании.

При нагреве твердых сплавов до 600—800 °С происходит поверхност­ное окисление кобальтовой фазы, карбидов вольфрама и титана с образова­нием поверхностных пленок, твердость которых в 40—50 раз меньше твер­дости исходного материала. Это создает условия для более интенсивного абразивно-химического изнашивания.

Адгезионно-усталостное изнашивание инструмен-т а является результатом схватывания инструментального и обрабатываемо­го материала с последующим вырывом частиц инструментального материа­ла. Наиболее активно адгезионное изнашивание протекает при температуре 0,35—0,5 от температуры плавления материала инструмента и невысокой разности твердостей инструментального и обрабатываемого материалов.

Периодически повторяющееся схватывание и разрушение адгезионных связей вызывает циклическое нагружение контактных слоев инструменталь­ного материала, приводящее к его усталости. Развитие усталостных процес­сов ведет к последующему разрушению металла в виде выкрашивания и сколов. В этих условиях инструментальный материал, обладающий высоки­ми значениями циклической прочности и ударной вязкости, лучше сопро­тивляется адгезионному изнашиванию.

Диффузионное изнашивание инструмента протекает при таких условиях резания, когда между обрабатываемым и инструмен­тальным материалами устанавливаются устойчивые адгезионные связи и при температурах выше 850 °С происходит взаимная диффузия инструменталь­ного и обрабатываемого материалов. Этот вид изнашивания в большей сте­пени характерен при обработке инструментом из твердых сплавов, металло­керамики и алмазным инструментом. При высокотемпературном контактном

взаимодействии происходят следующие процессы: диссоциация карбидов и последующая диффузия их элементов (С, W, Ti) в обрабатываемый матери­ал, т. е. происходит прямое диффузионное растворение; встречная диффузия металлических элементов обрабатываемого материала в связующую фазу твердых сплавов, вызывающая ее разрушение.

В процессе резания с поверхностями инструмента контактируют всегда новые участки стружки и обрабатываемой поверхности детали, что поддер­живает перепад концентраций компонентов, способствуя высокой скорости диффузионного изнашивания инструмента. ^_

Реально на практике затупление режущего инструмента происходит в результате одновременно протекающих различных видов износа и пластиче­ского деформирования режущей кромки. Так, при резании быстрорежущим инструментом затупление происходит в результате абразивного, адгезионно­го износа и пластической деформации режущей кромки.

Параметры износа и стойкости режущего инструмента характери­зуют степень допустимого износа инструмента и время его работы до заме­ны или переточки. Они относятся к основным технологическим параметрам процесса резания.

За критерий оптимального износа лезвийного инструмента принимают значение износа по задней поверхности (см. рис. 31.8, б), обеспечивающее максимальный срок службы инструмента при сохранении режущих свойств, он обозначается А» [мм].

Зависимость износа инструмента от времени обработки при фиксиро­ванной скорости резания приведенная на рис. 31.9, показывает, что износ во времени описывается нелинейной функцией и его можно разбить на три пе­риода: участок быстрого износа режущей кромки называют периодом при­работки (Г); участок, при котором скорость затупления является минималь­ной, называют периодом нормального из­носа (II); участок, при котором происходит усиленный износ, заканчивающийся по­садкой (затуплением) инструмента, назы­вают периодом усиленного износа (III).

Рис. 31.9. Зависимость износа от времени обработки: / — участок приработки; II — период нормального износа; /// — период усиленного износа; А3 — длина изно­са; Т — стойкость инструмента

Условия экстремума функции А, = f(t) выполняются в точке В с минимальным значением износа И_м, при котором срок службы инструмента получается наи­большим, равным Т. Под стойкостью инструмента Т понимают время его ра­боты между двумя переточками. Стой­кость токарных резцов колеблется от 30 до 90 мин. Суммарный период полной стойкости инструмента М, с учетом чис-

ла переточек К за весь период эксплуатации, определяется по формуле М = ТК.

Стойкость инструмента, так же как и его износ, в наибольшей степени зависит от скорости резания, определяющей температуру в зоне резания. Эта зависимость выражается степенным законом:

Tv^m = C = const, (31.1)

где С — эмпирическая константа; m — показатель, учитывающий материал инструмента и обрабатываемой детали.

Для твердосплавного инструмента при обработке сталей и алюминиевых сплавов он составляет m = 5; 3, а для быстрорежущих инструментальных сталей при обработке сталей, медных и алюминиевых сплавов он составляет соответственно 8; 6; 3. Если экспериментально установлено, что максималь­ная стойкость Т_а обеспечивается при скорости резания v₀, тогда стойкость при скорости v из выражения (31.1) можно записать в виде:

T = T₀(vJv)^m. (31.2)

Из (31.2) следует, что увеличение скорости резания v по сравнению со скоростью v₀ ведет к существенному снижению стойкости Т. Поэтому выбор скорости резания существенно влияет на стойкость инструмента.