9.9. Прочность лезвия инструмента

9.9.1. Общие сведения

Инструмент может терять режущие свойства и не удовлетворять заданным требованиям не только по причине его постоянного изнашивания и достижения предельного износа, но и вследствие разрушения лезвия. Чтобы исключить разрушение лезвий инструмента, приходится уменьшать уровень режимов резания и производительность обработки. Для оптимизации режимов резания с этой точки зрения необходимо знать закономерности разрушения лезвия инструмента. Различают два вида разрушения:

- хрупкое разрушение, происходящее, как правило, при низких температурах резания, далеких от допустимой;

- пластическое разрушение, происходящее в области температур, близких к допустимой.

9.9.2. Хрупкое разрушение лезвия

Происходит путем постепенного зарождения, развития и накопления в лезвии микротрещин, которые с течением времени или с увеличением нагрузки сливаются в макротрещину. Процесс зарождения и развития трещин развивается во времени, т.е. зависит от продолжительности действия нагрузки. Различают два вида хрупкого разрушения: выкрашивание лезвия и сколы.

Выкрашивание заключается в отделении малых частиц лезвия и часто обусловлено поверхностными дефектами инструмента, остаточными напряжениями и т.п. Часто выкрашивание возникает в результате действия циклических нагрузок.

Сколы выражаются в отделении относительно большого объема материала лезвия. При этом поверхность скола имеет характерный кристаллический излом. Образование сколов в большей степени зависит от угла заострения лезвия, переднего и заднего углов, угла в плане и толщины срезаемого слоя. Установлено, что для определенной геометрии инструмента, физико-механических свойств инструментального и обрабатываемого материалов существует предельная толщина срезаемого слоя a_ПР, при достижении которой происходит скол лезвия. Для лезвий, образованных на твердосплавных пластинах, большое значение имеет толщина пластины.

Характеристикой сопротивления хрупкому разрушению инструментального материала может служить предел прочности при растяжении σ_В, увеличение которого приводит к возрастанию предельной толщины срезаемого слоя а_ПР. Расчет предельной толщины а_ПР возможен на основе анализа напряженного поля в лезвии. Эксперименты показывают, что в лезвии инструмента могут действовать как напряжения сжатия, так и напряжения растяжения. Последние являются одной из основных причин хрупкого разрушения. Наиболее напряженной частью лезвия является участок, отстоящий от режущей кромки на 2…2,5 длины контакта стружки с передней поверхностью. С уменьшением переднего угла, толщины срезаемого слоя увеличивается относительная протяженность зоны напряжений сжатия, а зона напряжений растяжения уменьшается. Увеличение толщины срезаемого слоя приводит к увеличению зоны действия в лезвии напряжений растяжения. При предельной толщине напряжение растяжения в опасной точке, отстоящей от режущей кромки на 2...2,5 длины контакта, достигает σ_В, происходит зарождение и развитие микротрещины, которая переходит в макротрещину, и затем происходит скол. Экспериментально установлена почти линейная зависимость а_ПР от σ_В. Так, для стали Р6М5 σ_В=2000 МПа, Т5К10 σ_В=800 МПа, для эльбора σ_В=150 МПа. Отношение предельных толщин а_ПР для этих материалов соответственно 20:2, 5:1.

С уменьшением толщины срезаемого слоя растягивающие напряжения в опасной зоне лезвия исчезают и действуют только сжимающие. В этом случае в качестве характеристики хрупкой прочности принимается предел прочности инструментального материала при сжатии σ_-В. Однако инструментальные стали и твердые сплавы имеют весьма высокие значения σ_-В> 3000 МПа и не подвергаются хрупкому разрушению от напряжений сжатия. Инструменты из минералокерамики, алмаза, эльбора, гексенита-Р при резании закаленных сталей могут подвергаться хрупкому разрушению от сжатия, так как для них σ_-В < 2500 МПа.

Инструменты из материалов с низкой теплопроводностью, а также инструменты, испытывавшие циклические нагрузки, могут подвергаться хрупкому разрушению под действием термических и циклических напряжений. Например, каждый зуб фрезы в период его контакта с заготовкой нагревается, и в поверхностном слое участка контакта возникают напряжения сжатия. В остальной период зуб, находясь вне зоны контакта, охлаждается, вследствие чего в поверхностном слое зуба возникают напряжения растяжения, которые могут привести к хрупкому разрушению лезвия. Поэтому в периодических процессах резания предельные толщины срезаемого слоя в несколько раз меньше, чем при точении.

Расчет лезвия инструмента на хрупкую прочность заключается в определении действующих в нем напряжений, расчете эквивалентного напряжения и сопоставлении его с допускаемым напряжением. Для обеспечения прочности необходимо соблюдать условие

где n - коэффициент запаса прочности.

Эквивалентное напряжение определяется согласно теории предельного состояния О.Мора:

где σ₁ и σ₃ - соответственно наибольшее и наименьшее нормальные напряжения; σ_-В - предел прочности материала инструмента на сжатие.

По теории предельного состояния, разработанной Г.С.Писаренко и А.А. Лебедевым, наиболее полно отображающей явления при резании, эквивалентное напряжение определяется так:

где σ_i - интенсивность напряжений, определяемая через главные напряжения; А – константа.

Величины A и Χ берутся с учетом температуры резания: при θ = 970°К для двухкарбидных твердых сплавов А = 0,7; Χ = 0,18…0,2; для сплавов Wc + Co и Wc + TiC + TaC + Co, Χ = 0,24…0,3; А = 0,8; для сталей Р9 и Р18 Χ = 0,5; А = 0,9.

Независимо от принимаемой теории предельного состояния необходимо определить напряжение в опасной точке, которая, как установлено теорией и экспериментами, лежит на передней поверхности и удалена от режущей кромки на расстояние 2…2,5 длины контакта. В этой точке лезвия действует только радиальное напряжение растяжения σ_r , направленное вдоль передней поверхности и определяемое зависимостью

где P - сила резания;

r₀ - расстояние от режущей кромки до точки приложения силы P;

β - угол заострения, рад;

ξ = r/r₀ - безразмерная координата;

r - расстояние от режущей кромки до рассматриваемой точки;

q(±ξ) – некоторая функция, зависящая от угла заострения лезвия и других величин.

При этом прочность обеспечивается, если σ_r < σ_-в.