Монокристаллические материалы

В последние годы в качестве инструментальных материалов находят примене­ние синтетический корунд в виде рубина, а также моно­кристаллы бесцветного корунда, или лейкосапфиры.

Рубин представляет модификацию -Аl₂О₃ с неболь­шими примесями хрома, а лейкосапфир – синтетический монокристалл в виде -моди­фикации, который почти не со­держит примесей. Последний имеет более высокие меха­нические свойства, чем рубин, в силу чего и находит более широкое применение. Инструменты, изготовленные из мо­нокристаллов корунда, рекомендуется использовать для тонкой обработки цветных металлов, сталей и чугунов.

Рис. 96. Использование инструментальных материалов в диапазоне допустимых скоростей резания и подач: 1 – быстрорежущие стали; 2 – твердые сплавы; 3 – твердые сплавы с покрытиями; 4 – нитридная керамика; 5 – оксидно-карбидная ке­рамика; 6 – оксидная керамика;

7 – нитрид бора

Таблица 13

Распространенность инструментальных материалов

Показатели	Группы материалов
	Быстрорежущие стали	Твердые сплавы	Керамика и СТМ
Объем выпуска, %	66	32	2
Объем снимаемого металла, %	28	68	4

Разнообразие инструментальных материалов, исполь­зуемых в настоящее время промышленностью, подтверждают данные рис. 96 и табл. 13.

4.2. Изнашивание и разрушение режущих инструментов

Изучение механизма и природы износа инструмента постоянно привлекало и привлекает внимание исследователей резания металлов. Выдвинутые гипотезы и теории износа относились вначале к инструментам из углеродистых и быстрорежущих сталей, затем – к твердым сплавам, алмазу, минералокерамическим, сверхтвердым ма­териалам и т.д.

В настоящее время большинство исследователей считают, что режущий инструмент подвергается различным по природе видам из­носа – абразивному, адгезионному, диффузионному, химическому, термическому, электрическому и прочим. В зависимости от условий резания превалирующим может быть один вид износа или же инст­ру­мент подвергается одновременно действию различных видов износа.

4.2.1. Напряжения в инструменте и виды износа инструмента

В результате высокого давления, температуры и скорости относительного перемещения контактные поверхности инструмента в процессе его эксплуатации изнашиваются. Изнашивание режущего инструмента в процессе резания протекает весьма разнообразно в связи с различными условиями его работы. Эти условия могут резко изменяться в зависимости от обрабаты­ваемого материала, геометрии и материала инструмента, скорости резания, величины среза, смазочно-охлаждающей среды, жестко­сти технологической системы.

Практически можно наблюдать следующие процессы износа (рис. 97):

– изнашивается преимущественно передняя поверхность и незначительно задняя поверхность резца (см. рис. 97, б);

– истирается сильно задняя и слабо передняя поверхности (см. рис. 97, а);

– одновременно изнашиваются передняя и задняя поверх­ности (см. рис. 97, в);

– закругляется режущая кромка.

а б в

Рис. 97. Виды износа инструмента

Преимущественный износ передней поверхности происходит при обработке пластичных сталей с устойчивым наростом, защищающим режущую кромку от непосредственного воздействия стружки и поверхности резания. Подобный износ имеет место при снятии крупных стружек, а также при больших скоростях резания и часто наблюдается у резцов с отрицательными перед­ними углами. Износ по передней поверхности образуется при резании пластичных материалов с большой толщиной среза (> 0,5 мм). Увеличение глубины h_л и ширины с приводит к уменьшению перемычки f.

Значителен износ задней поверхности с увеличением положи­тельного переднего угла также у резцов с малыми задними углами. Износ по задней поверхности наблюдается в случае резания с малой толщиной среза, фаска износа образуется с нулевым задним углом (или отрицательным). Он особенно заметен при грубой обработке хрупких металлов, в частности чугуна, а также вязких аустенитных сталей и сплавов, обладающих большим упругим последейст­вием. В этом случае резание происходит с повышенной темпера­турой вследствие сла­бой теплопроводности обоих металлов; притом неровная поверх­ность резания, обладая значительными абра­зив­ными свойствами, способствует износу задней поверхности инструмента.

При обработке сталей, обладающих значительной истирающей способностью и особой склонностью к наклепу, когда в процессе деформации выделяется карбидная фаза, наблюдается сильное изнашивание одновременно передней и задней поверхностей резца. Увеличение лунки приводит к изменению действительных переднего угла  и угла резания .

Износ по передней и задней поверхности наблюдается при обра­ботке пластичных материалов со средней величиной среза (от 0,1 до 0,5 мм). Главная причина выхода инструмента из строя – нарастание износа h_л (см. рис. 97, в).

Округление режущей кромки (вершины) инструмента наблюдается, как правило, при чистовой обработке материалов, обладающих низкой (малой) теплопроводностью.

При чистовой обработке износо- и теплостойким инструментом материалов, обладающих малой теплопроводностью, например пластмасс, режущая кромка инструмента плавно закругляется. Износ самой режущей кромки особенно развивается в процессе резания вязких высокопрочных материалов (аустенитных сталей). В этом случае необходимо уменьшить наклеп обрабатываемого материала путем тщательной заточки режущей кромки с малым радиусом закругления, чтобы усилить режущий эффект.

Наиболее типичный процесс износа твердосплавных резцов при скоростной обработке стали протекает примерно в такой по­следовательности. Сначала происходит постепенное закругление режущей кромки, невидимое невооруженным глазом, но заметное через микроскоп. На передней поверхности появляются следы будущей лунки в виде светлой полосы, а на задней поверхности – узкая фаска износа. В первый момент стружка прямая, шпагообразная, а затем изогнутая и путаная. Но через некоторое время по мере углубления лунки на передней поверхности стружка завивается в спирали, сначала длинные, а затем все более короткие. Лунка постепенно углубляется и расширяется главным образом в на­правлении движения стружки. Вдоль режущей кромки по задней поверхности непрерывно расширяется ленточка износа, а на передней поверхности суживается фаска. При этом стружка завивается в короткие спирали все уменьшающегося со временем диаметра, а затем сходит в виде связанных между собой дугооб­разных элементов. Режущая кромка изнашивается неравномерно: в первую очередь и наиболее интенсивно вырабатываются участки скоплений кобальтовой фазы и мелких разобщенных зерен WC. Через некоторое время режущая кромка частично выкрашивается, и стружка в форме бочкообразных элементов стреми­тельно вылетает вверх от резца. Это признаки полного затупления резца. На обработанной поверхности замечаются прилипшие мелкие частицы.

При скоростном точении стали твердосплавным резцом с положительным передним углом  = +5° длина лунки с растет в обе стороны, в результате чего ширина фаски f уменьшается, (рис. 98, 1 и 3).

Рис. 98. Изменение ширины фаски и лунки износа на перед­ней поверхности резца с различными передними углами: 1 – с₁ при  = +5°; 2 – с₂ при  = –35°; 3 – f₁ при  = +5°; 4 – f₂ при  = –35°

Между тем у резца с передним углом  = –35° фаска оставалась неизменной, т.е. лунка на передней поверхности резца удлинялась лишь в сторону движения стружки (рис. 98, 2 и 4). Это явление можно объяснить тем, что в процессе резания с увеличением угла резания наряду с повышением тем­пературы напряженное состояние зоны резания максимально при­ближается к объемному сжатию и, следовательно, пластичность металла в зоне резания увеличивается. Вместе с этим, как известно, уменьшается угол сдвига, в связи с чем изменяется направление стружки. Рассмотренный процесс сопровождается как повышением на­грузки, так и увеличением вибраций. Однако при образовании лунки, когда режущая кромка еще не разрушена, наблюдается обратное явление – станок работает легче, начавшиеся вибрации уменьшаются; с появлением лунки уменьшается фактический угол резания _ф, стружка более плавно отходит (рис. 99). В этих условиях облегчается образование устойчивого нароста, защищающего режущую кромку вместе с фаской на передней поверх­ности резца, что способствует более спокойной работе. Образование и развитие лунки на передней поверх­ности резца в большой мере зависит от степени взаимодей­ствия обрабатываемого и инст­­рументального материа­лов.

Н

Рис. 99. Изменение угла резания за счет образования лунки на передней поверхности

адо заметить, что удары, вибрации, колебания нагрузок по различным причинам сильно ускоряют износ инструмента, особенно хрупкого, например твердосплавного и минералокерамического.

Перерывы в работе и связанное с этим частое врезание резца в обрабатываемую деталь также усиливают износ хрупкого ин­струмента, и тем интенсивнее, чем чаще происходит врезание. Надо полагать, что отрицательный эффект работы с перерывами вызывается не только механическими ударами при врезании, но и температурой режущей кромки, которая значительно ниже при работе с перерывами. В последнем случае хрупкая режущая кромка подвергается более частым тепловым ударам, вызывающим усиленный износ режущей кромки. Следовательно, можно сделать вывод о целесообразности при­менения твердых, но хрупких инструментов, например эльборовых, керамических резцов при чистовом точении на больших перехо­дах, когда требуется обеспечить точные размеры обрабатываемой детали.

При работе быстрорежущим резцом происходит обратное явление, так как перерывы в работе способствуют охлаждению и улучшению структуры резца. Кроме того, повышение стойкости быстрорежущих резцов при работе с перерывами объясняют и тем, что в этом случае на поверхности инструмента создаются адсор­бированные пленки окислов, в результате чего уменьшается трение и тем самым снижается износ инструмента.

Повышенный износ ре­жущего инструмента при вибрационном резании, очевидно, вызван динами­ческим эффектом врезания резца, происходящего не­прерывно при колебатель­ном процессе. При этом срывается защитная окисная пленка, что способст­вует усилению износа, хотя при вибрационном резании снижается температура резания, усадка стружки и мощность, затрачиваемая на резание.

Часто износ режущего инструмента происходит неравномерно вдоль режущей кромки. Наблюдается усиленный износ у вершины резца, а также на участке контакта режущей кромки с обрабатываемой поверхностью. Усиленный износ у вершины резца вызван более тяжелыми условиями работы (завал или повышенный радиус закругления режущей кромки, неблагоприятные угол резания и задний угол, повышенная температура). Усиленный износ режущей кромки на участке контакта с обрабатываемой поверхностью объясняется наклепом обрабатываемой поверхности вследствие предшествующей обработки или наличием твердой корки; ширина зоны усиленного износа может характеризо­вать в известной мере толщину наклепанного слоя.

Б

Рис. 100. Пластическое деформирование режущего клина

ольшой интерес представляют явления, связанные с пластической деформацией самого инструмента, которые наблюдаются при обработке вязких металлов с большими скоростями резания. В этих случаях развивается высокая температура резания, резко изменяется соотношение твердости стружки и инструмента, и последний теряет формоустойчивость.

При резании инструментами из твердых сплавов с очень высокими силовой и тепловой нагрузками износу инструмента иногда предшествует пластическое деформирование вершины режущего клина. Формо­изменение клина заключается в опускании части передней поверхности, примыкающей к главному лезвию, на расстояние h₁ и выпучивании задней поверхности с высотой h₂ (рис. 100). В результате искривления задней поверхности на ней образуется нулевой или отрицательный задний угол, способствующий интенсивному изнашиванию инструмента.

Изнашивание твердосплавного инструмента может сопровождаться осыпанием и выкрашиванием вершины режущего клина. Под осыпанием понимают частичное или сплошное разрушение лезвий размером не выше 0,3 мм. Под выкрашиванием понимают частичное или сплошное разрушение лезвий и поверхностей инстру­мента разме­ром от 0,3 до 1 мм. Более крупные повреждения лезвий (сколы) отно­сятся к контактному разрушению режущей части инструмента.

На практике большое значение имеет установление целесооб­разного критерия затупления режущего инструмента. Этот критерий должен быть определен с учетом требуемой точности и шероховатости обработанной поверхности, рода инструмента, его геометрии и материала.

Было бы неправильно доводить затупление инструмента до полного разрушения режущих кромок. Это не оправды­вается ни экономическими, ни эксплуатационными соображе­ниями. Устанавливается определенный условный критерий затупления, по достижении которого инструмент перетачивается.

Толщина срезаемого слоя и скорость резания оказывают одинаковое влияние на вид износа. При малых толщинах срезаемого слоя (менее 0,1 мм) и низких скоростях резания преимущественному изнашиванию подвергается задняя поверхность. По мере увеличения толщины сре­заемого слоя и скорости резания помимо задней начинает изнашиваться и передняя поверхность, и чем больше а и b, тем передняя поверхность изнашивается больше, а задняя меньше. Например, при точении без СОЖ детали из стали 45 резцом из твердого сплава Т15К6 в диапазоне скоростей резания 50…210 м/мин при подаче 0,08 мм/об. доля износа задней поверхности составляет 60…80 %, а доля износа передней поверхности – 10…15 % в общем износе резца. С увеличением подачи до 0,46 мм/об. доля износа передней поверхности увеличивается до 60…90 %, а задней поверхности – уменьшается до 5…7 %. При подаче 0,24 мм/об. и диапазоне скоростей резания 80…150 м/мин доли износа передней и задней поверхностей прибли­зительно оди­наковы.

Меньшее влияние на вид износа оказывают передний угол инстру­мента и применяемая СОЖ. При увеличении переднего угла толщины срезаемого слоя, скорости резания и исполь­зовании СОЖ, обладающей высокой теплопроводностью, первый вид износа переходит во второй.

М

Рис. 101. Размерный износ

ерой изношенности (затупления) инструмента могут служить линейный и массовый износы. Принимая за показатель линейный износ, об изношенности задней поверхности судят по максимальной ширине площадки износа h, передней поверхности – по максимальной глу­бине лунки износа h_л. При чистовой размерной обработке изношен­ность инструмента удобно оценивать линейным размерным радиальным износом h_r (рис. 101), характеризующим смещение вершины или переходного лезвия инструмента в направ­лении, перпендикулярном к обработанной поверхности, в результате износа его задних поверхностей. Величина размерного износа определяет увеличение или умень­шение размера обрабатываемой детали по мере изнашивания инструмента.

Если за меру изношенности инструмента принят линейный износ, то при этом измеряется только его максимальная величина и не учитывается ни местоположение максимального износа на лезвии инструмента, ни то, что во время его работы в результате местного выкрашивания инструментального материала максимальный износ может перемещаться вдоль лезвия. Максимальный линейный износ может быть достаточно надежной характеристикой при разработке промышленных норм допускаемых износов и норм расхода инструмента на переточки. Для исследования же физической природы изнашивания инструментов более объективной характеристикой является массовый износ – масса изношенной части инструмента, в мг, которой пропорциональна работа сил трения, затрачиваемая на превращение инструментального материала в продукты изнашивания.

При исследовании влияния различных факторов процесса резания на интенсивность изнашивания инструмента полезно пользоваться так называемым относительным износом. Под относительным износом понимают отношение линейного, размерного или массового износа к какому-либо показателю, характеризующему производительность инструмента до момента его затупления. Такими показателями могут быть путь, пройденный инструментом, площадь обработанной поверх­ности, объем срезанного слоя и т.п. Наиболее часто абсолютный износ относят к пути L, пройденному инструментом, при этом отно­сительный линейный износ  определяют по формуле

 = h/L.

Путь резания равен L = V · T, м. При точении путь резания, в м, можно подсчитать по формуле

L = ,

где – длина обработанной поверхности;

D – наружный диаметр заготовки.