2.5 Количественная оценка износа инструментов при резании

К настоящему времени накоплено достаточно много знаний в области изучения физической природы износа, в частности режущих инструментов при механической обработке. Большой ряд трудов является базовым для данной публикации. Среди них труды, заложившие основу и развитие молекулярно-механической теории трения. В частности, труды Кузнецова В.Д., Непомнящего Е.Ф., Крагельского И.В., Хрущeва М.М., В.Н.,Бокучавы Г.В.[17,29,30,81,97].

Уже в семидесятых годах был предложен механизм износа высокотвердых инструментальных материалов. Г.В.Бокучава предложил формулу для расчета пути резания (ℓ = VT) до затупления при адгезионном износе. Аналогичные выражения предлагались и другими авторами [101].

Несмотря на глубокое изучение физики процесса изнашивания высокотвердых по сравнению с обрабатываемыми инструментальных материалов, выводы и количественные выражения для расчета периода стойкости (Т) или пути резания (ℓ = VT) до износа не нашли применения в промышленности. Это объясняется тем, что технологических рекомендаций, связывающих период или путь резания до затупления инструмента со свойствами режущего и обрабатываемого материалов, а также режимами резания не было создано. Более того, исследованиями износа инструментальных материалов в зависимости от скорости резания осуществлялось, по сути, изучение сопутствующих явлений, таких как: адгезия, диффузия, пьезоэлектронная эмиссия, образование нароста и другие физико-химические превращения, связанные с температурой в зоне деформации и трения.

Попытка сопоставить количественно износ и перечисленные явления, как следствия тепловых и режимных характеристик процесса резания, пока так и не удалась. Хотя уже в те годы о существовании зон скоростей резания, в которых интенсивность износа падает на порядок и более, науке было известно. Поэтому исследование износа при резании проводилось при высоких и сверхвысоких скоростях на специальных установках.

Сейчас ведущие зарубежные станкостроительные фирмы выпускают оборудование для реализации высокоскоростного и сверх высокоскоростного резания. Это сулит большие экономические выгоды в связи с переходом от технологий, включающих три вида операций: черновую, чистовую и отделочную, на современные, состоящие из одной, выполняемой на высоких или сверхвысоких скоростях, как отделочной, независимо от величины удаляемого припуска. Специалисты ведущих фирм уже знают, что переход к более высоким скоростям резания, при соблюдении условия постоянства температуры материала режущей части инструмента, не только позволяет, в силу снижения амплитуды колебания и среднего значения силы резания, повысить точность и качество механической обработки, но и существенно увеличить износостойкость режущих материалов.

Отрадно заметить, что некоторые Российские фирмы также выпускают станки, предназначенные для реализации высокоскоростного и сверх высокоскоростного резания. Однако это еще не означает, что переход к новым одно-операционным технологиям начинает реализовываться повсеместно.

Многие производственники связывают переход на одно-операционные технологии, базирующиеся на однопроходной механической обработке, выполняемой на высоких и сверхвысоких скоростях резания, с особыми свойствами сверхтвердых режущих материалов. Поэтому, не задумываясь переходят на любые дорогостоящие сверхтвердые материалы, включая природные алмазы, так как в конечном итоге имеют меньше затрат, чем при реализации старых типовых техпроцессов, основанных на трех типах операций: (черновая, чистовая, отделочная).

Настоящим исследованием мы пытаемся привлечь внимание специалистов производственников тем, что переход в резании на высокие и сверхвысокие скорости не обязательно связан с переходом на сверхтвердые дорогостоящие инструментальные материалы. Кроме того, использование некоторых знаний, изложенных в этом разделе, позволяет при переходе к высоким скоростям резания единовременно повысить качество механической обработки по весьма широкому кругу параметров, а также износостойкость инструментов, выраженную в длине пути резания до образования заданной лунки износа, как критерия затупления, прямо пропорционально кубу скорости резания, т.е. ℓ = TV = CV³ , T = CV² .

Это сулит весьма большие экономии производственным компаниям с большими объемами механообрабатывающего производства.

Данное утверждение теоретически обосновано основными положениями молекулярно-механической теории трения и широко подтверждено экспериментально. Проведено несколько тысяч экспериментов в производственных условиях.

Анализ трудов вышеперечисленных авторов позволяет утверждать следующее. Физика износа высокотвердого режущего материала при контакте с более мягким обрабатываемым материалом такова, что она предопределяет поглощение энергии, как тепловой пропорционально коэффициенту теплопоглощения Ша Рона. Часть этой энергии будет затрачена на разрушение окисных пленок и создание ювенильных поверхностей на режущей части инструмента. Для этого неизбежно событие царапанья твердыми включениями обрабатываемого материала (карбидами, хромом, кремнием), которые образуются в процессе нагрева его до температуры структурных и фазовых превращений и резкого охлаждения в силу импульсного, кратковременного скачка температуры. Вторая часть поглощенной энергии расходуется на преодоление поверхностной энергии, определяемой работой выхода электрона [96].

Следовательно, величина поглощаемой энергии, как тепловой за путь резания ℓ, или время – период – Т – будет израсходована по закону сохранения энергии на две составляющие: механическую, равную по величине работе резания – царапанья материала режущей части инструмента объемом установленной лунки износа и адгезионную, равную поверхностной энергии. Сумма этих двух составляющих должна быть умножена на количество циклов адгезионного износа слоя режущего материала, атомарной величины, поскольку при однократном царапании на заведомо большую величину чем атомарная, поверхностная энергия, как работа выхода электронов, определяет образование ковалентных связей ювенильных поверхностей обеих материалов в пределах одного атомарного слоя. Поэтому многократное царапанье уже пропаханных, но мгновенно восстанавливающих окисную пленку, поверхностей, неизбежно, до образования лунки глубиной h.

Таким образом, задача решается на энергетическом, макро уровне простым расчетом величин: поглощенной и суммарной энергий, т.е.:

А­_n = (А₁+А₂)Kj = const (2.56)

где: А_n- энергия, поглощенная материалом режущей части инструмента, как тепловая;

А₁-механическая составляющая – энергия царапанья режущего материала в объеме лунки износа;

А₂-адгезионная составляющая – поверхностная энергия, рассчитываемая через работу выхода электронов;

J= -число циклов образования ювенильных поверхностей по глубине лунки износа ( h ).

r- радиус атома режущего материала;

К - коэффициент, характеризующий число, как математическое ожидание образующихся кристаллов высокотвердых включений в обрабатываемом материале, распределенных на пути резания ℓ, или число вероятных царапин твердыми образованьями за период стойкости Т или время резания, до образования заданной лунки износа.

(2.57)

­где: 3 - характеризует распределение числа твердых включений на поверхности из известного числа в объеме;

%Х - процентное содержание вещества в материале, способное при нагреве до температуры фазовых и структурных превращений и резком охлаждении ( ) образовывать твердые кристаллы;

2 - по закону равной вероятности.

Согласно работам [81,96,90]:

А₁ = 1,7_Riabh; (2.58)

где _Ri = _b (1+ 1,35) = _b -разрушающее значение напряжения, равное пределу прочности материала режущей части инструмента, поскольку коэффициент утонения  = 0.

а - ширина лунки износа, обычно равная удаляемому за проход припуску;

в - длина лунки износа вдоль вектора главного движения резания,

h - глубина лунки износа, как правило стандартная постоянная величина, характеризующая работоспособность инструмента.

А₂ =А(ab); (2.59)

где

- удельная поверхностная энергия ( ).

 - работа выхода электрона;

Z - число свободных электронов на один атом;

r - радиус атома,м.

Согласно формуле Кельвина [86] поглощенная энергия есть:

А _n = t₃ (2_.60)

где t₃ - интегральное значение температуры режущего материала при установившемся резании в зоне деформации и трения обрабатываемого материала, контактирующего с режущим:

(t₃ < t_g - температура начала деструктивных превращений режущего материала).

_i, _i, C_i - удельная теплопроводность ( );

плотность (кг/м³); теплоемкость (Дж/кг^о С) режущего материала.

- постоянная физико-механических свойств обрабатываемого материала.

_R=_b(1=1,35) – разрушающее напряжение,

_b- Предел прочности, Па ;

 - коэффициент утонения;

 - коэффициент Пуассона.

-температуропроводность обрабатываемого

материала (м²/с)

N - предел не сходящего ряда, характеризующий зону тепло затухания от движущегося источника (табличная величина).

Из закона сохранения энергии следует:

; (2.61)

(2.62)

Таким образом, согласно закона сохранения энергии, уравнений Кельвина – Томпсона и базовых положений молекулярно-механической теории трения, следует, что путь резания до истирания режущего материала на заданную глубину ( h ) при обеспечении постоянства температуры в зоне резания (t₃ < t_g ), прямо пропорционален кубу скорости резания ( V ), период стойкости – квадрату скорости резания.

Рассмотрим примеры, в которых расчеты по уравнениям (2.62,2.63) сравниваются с практическими результатами, полученными в условиях крупносерийного производства.

Примеры характерны тем, что дают полный анализ количественного соответствия уравнений полученным производственным показателям

Пример. В ООО “Крепеж” изготавливаются гайки М16х2 6-го квалитета точности из материала Ст. 20 (20А) ГОСТ 1050-74. При резьбонарезании на автоматах, используются стандартные метчики 6-го квалитета точности (1 класс) ГОСТ 19265-73 с режущей частью из материала марки Р6М5 (НRС 62 64). При этом режим резания V устанавливается как оптимальный по периоду стойкости и соответствует: V₁ =0,27 (м/с).

Изменив конструкцию режущей части этих метчиков и рассчитав температуру согласно данных работы [2] ( t₃ 530 ) нам удалось увеличить обороты метчика в 1,5 раза, т.е. V₂ = 0,405 (м/с ); количество испытанных в производстве метчиков составило 450 шт.

Результат полностью соответствует соотношению (2.62). При работе стандартными метчиками, число гаек высотой Н = 16 мм, (т.е. l = 0,4 м) которое в среднем изготавливает один метчик до истирания лунки износа b=10 10^-6 (м); h = 7 10^-6 (м) составляет по статистическим данным завода N_г 3000.

Обработка статистической информации после испытаний метчиков с измененной конструкцией, позволила получить число гаек N_г = 11000.

Это весьма близко к прогнозу по уравнению [7], так как l должно увеличиваться в 1,5³ =3,375 раз и составить N_г =10125.

Процент ошибки прогноза составляет 2%. Осуществим расчет по формуле (2.62);

Из марочника сталей и сплавов

_Ri = 2,310⁹ (Па); _i =27( );_iC_i =3,8*10⁶ ( ); W_n =1,38( );

при t 530 ( ); b = 10^-5 (м); h = 7*10^-6 (м); С = 0,014;  = 13,8 ;

N = 1,9 10³;  = 1,94 10^-10 (м) ;

Процентное содержание углерода, кремния и хрома: С = 0,2 %, Si = 0,27 %,

Cr = 0,25 %.

На заводе по специальному заказу изготавливалось несколько тонн гаек М 16х2» из материала Сталь 45 ГОСТ 1050-74. Режимы резания V = 0,27 ( ) не менялись. Метчик стандартной конструкции. Запишем изменения в константах: C = 0,017;  = 14,05*10^-6 ( ); N = 1,7 10³; t₃ = 560 ( ).

Содержание углерода: С = 0,41%; Si = 0,45%; Cr = 0,25%; J = 3,608*10⁴ ;

K = 60,4.

Средняя стойкость метчика при изготовлении 18 тонн гаек составила одна тысяча гаек – по данным предприятия.

Можно утверждать, что статистическая оценка долговечности инструмента весьма точна. Поэтому мы рекомендуем специалистам-технологам для практического использования уравнения (2.62). Для расчета интегрального значения температуры режущего материала в зоне резания, предлагаем следующую зависимость, полученную на базе формулы Кельвина:

; (2.63)

где m - фактическое сечение стружки вдоль вектора вспомогательного движения резания – подачи ;

- коэффициент пропорциональности теплопоглощения Ша Рона

следует отметить, что формула (2.63) дает заниженное значение скорости резания ( V ) при расчете их по заданной температуре (t₃ < t_g ), так как она приближенная и не учитывает распределение тепловых импульсов в пространстве, что является отдельной темой рассуждений. Тем не менее она пригодна для практического использования при средних и высоких значениях скоростей резания ( V от 0,3 до 30 м/с ).

Аналогичные расчеты можно проделать для любых других операций механической обработки.

Для удобства пользователей предлагаем значения N, как табличные для ряда конструкционных материалов.

Материал	N
Сталь 20 (20А) ГОСТ 1050-74	1,9 103
Сталь 45 ГОСТ 1050-74	1,7 103
Сталь 40Х ГОСТ 4543 – 71	1,3 103
40Х13	1,25 103
12Х18Н9Т	2,34 103
20ХНМ ГОСТ 2510-88	1,1 103
А1 и его сплавы	337
50РА	2,1 103
ЗОХРА	1,1 103
Ti сплав ВТ-3	560