Лабораторная работа № 6 Исследование износа резцов и получение зависимости периода стойкости от параметров режима резания (скорости резания).

Вопрос 1. Внешние признаки изнашивания режущих инструментов, обозначение износа.

Виды изнашивания и меры износа.

Во время резания происходит изнашивание режущего клина, проявляющееся по-разному - в зависимости от вида и длительности нагрузки. На рис.21 показаны наиболее часто встречающиеся виды изнашивания токарного резца. Режущий клин изнашивается по передней поверхности (лункообразный износ) и по задней поверхности - (маркировочная ширина площадки износа); оксидный (окислительный) износ на вспомогательной задней поверхности имеет второстепенное значение. Два первых вида изнашивания принимаются в качестве критериев стойкости.

Рис.21. Виды изнашивания и меры износа

Меры износа показаны на рис. 21b,c. Различают ширину площадки износа VB, измеренную в миллиметрах (рис. 21b) на задней поверхности режущего инструмента, и соотношение K размеров лунки, определяемое отношением глубины лунки KT к положению середины лунки KM.

Вследствие сложности процессов трения в контактных зонах инструмента и в результате действия чрезвычайно высоких механических и термических нагрузок происходит быстрый износ инструмента. Можно привести следующие основные причины, вызывающие интенсивное изнашивание:

повреждение режущей кромки, происходящее вследствие механических и термических перенапряжений;

адгезия (срез на местах схватывания под нагрузкой);

диффузия и механическое изнашивание;

тепловое изнашивание (угорание металла).

Эти процессы в сильной степени накладываются один на другой и могут лишь частично рассматриваться самостоятельно с точки зрения как причин, их вызывающих, так и проявления процесса.

Причины изнашивания

Повреждение режущей кромки. Повреждения режущей кромки, такие, как сколы, продольные и поперечные трещины или пластические деформации, наступают при механических или термических перегрузках.

Сколы. Большие силы резания вызывают сколы на режущей кромке или на вершине резца в том случае, когда либо угол клина или угол при вершине инструмента слишком малы, либо используется слишком хрупкий режущий материал. При таких повреждениях положение плоскостей скола определяется направлением силы резания. Сколы могут быть вызваны также прерывистым резанием, прежде всего при обработке вязких материалов, когда образуется налипающая на режущем клине стружка. Небольшие сколы появляются тогда, когда заготовки имеют твердые неметаллические включения, возникающие при дезоксидации стали. К перенапряжениям такого рода очень чувствительны износостойкие сорта твердых сплавов, особенно, если инструмент из этих материалов работает при относительно малом поперечном сечении стружки (развертывание, шабрение).

Поперечные трещины. При прерывистом резании (например, при фрезеровании) на режущую кромку действуют изменяющиеся нагрузки, что может привести к сколам. Кратковременные изменения силы резания приводят к появлению поперечных трещин, характерных для фрезерования. Быстроменяющиеся нагрузки в процессах, для которых характерна суставчатая стружка, могут также при превышении критического количества циклов нагружения привести к образованию поперечных трещин.

Продольные трещины. Термические напряжения при прерывистом резании вызывают повреждение режущей кромки инструмента, при котором краткосрочные изменения температуры приводят к образованию продольных трещин. Характер продольных трещин совпадает с линиями изотерм температурного поля в режущем клине. При фрезеровании режущая кромка нагревается до высокой температуры, а потом остывает на воздухе. Напряжения растяжения в поверхностных слоях могут превысить предел текучести, который для нагретого инструмента меньше, чем для холодного, что приводит к пластическим деформациям. Пластические деформации возможны в инструментальных сталях при несквозной закалке и в твердых сплавах с высоким содержанием связок, или когда температура режущей кромки вырастает настолько, что материал режущей части размягчается.

Механическое изнашивание. Изнашиванием называется отрыв частиц режущего материала, которые уносятся под влиянием внешних сил. Причиной изнашивания могут служить твердые включения в материале, такие, как карбиды и оксиды.

Рис.22. Причины, вызывающие изнашивание инструмента - при резании:

а) скалывание, b) диффузионные процессы, c) механическое изнашивание, d) тепловое изнашивание

Адгезия. Изнашивание посредством сваривания под давлением возникает вследствие того, что под влиянием свободных силовых полей при достаточно сближенных свободных от оксидов поверхностях происходит их сваривание. Прочность сварных мест тем выше, чем больше деформация. Во время стружкообразования те слои материала, которые образуют граничный слой между передней поверхностью инструмента и стружкой сразу после ее отделения пластически сильно деформированы. Поэтому материал стружки и особенно ее, вновь возникшие, поверхности вследствие их нагрева, деформирования и свежих разрывов находятся в активном состоянии. Повышенный износ, обусловленный таким схватыванием (свариванием), наблюдается при большой шероховатости поверхностей инструмента, прерывистом контакте между заготовкой и инструмента, а также при прерывании схода материала по рабочим поверхностям инструмента. Такой вид изнашивания характерен для низких скоростей резания и интенсивном наростообразовании. Многочисленные эксперименты показали, что износ по задней грани с увеличением скорости резания растет не непрерывно, а имеет, по крайней мере, два экстремальных значения. Сначала износ достигает максимума на скорости, при которой нарост достигает наибольшего значения. Уменьшение величины износа наступающее на скорости, при которой нарост исчезает, связано с увеличением температуры в зоне контакта инструмент-стружка-деталь и, связанных с этим, повышением пластичности контактных слоев обрабатываемого материала и снижением сил трения, действующих на поверхности инструмента.

Диффузия. Твердосплавные инструменты, обладающие повышенной склонностью к тепловому изнашиванию и работающие при высоких скоростях резания подвергаются диффузионному изнашиванию. Инструментальные и быстрорежущие стали размягчаются при температуре, когда диффузия едва ли может проявляться (например, около 6000С для быстрорежущей стали). Для подавления диффузионной реакции в твердые сплавы включают малочувствительные к такой реакции компоненты (например, карбид титана).

Тепловое изнашивание. При визуальном наблюдении инструмента после процесса резания вблизи контактной зоны можно заметить цвета побежалости, что свидетельствует о тепловом изнашивании (процессе оксидирования режущего материала). Тепловое изнашивание изменяется в зависимости от легирующих присадок режущего материала и температуры резания. Твердый сплав начинает терять свои режущие свойства уже при температурах 700-8000С, причем, твердые сплавы из карбида вольфрама и кобальта (группы WC+Co) окисляются сильнее, чем такие же, но с присадками карбида титана или других карбидов (TiC+WC+Co, TaC+TiC+WC+Co). Для инструментальных и быстрорежущих сталей тепловое изнашивание можно не учитывать, так как их теплостойкость меньше температуры, при которой начинается сильное оксидирование поверхности.