6. Прочность и разрушение режущих инструментов

Причиной выхода из строя режущих инструментов с их износом может стать внезапная поломка или удаление большой части режущей кромки в результате скола или пластической деформации. Разрушение режущих инструментов бывает хрупкое и пластическое. Характер разрушения определяется свойствами инструментального материала и действующей на режущую кромку нагрузкой. Способность инструментального материала сопротивляться пластической деформации называется пластической прочностью, способность сопротивляться хрупкому разрушению, т.е. образование сколов, выкрашиваний и т.п.  хрупкой прочностью.

6.1. Пластическая деформация и пластическая прочность

Пластическое разрушение характеризуется течением тонких слоев инструментального материала преимущественно вдоль задней поверхности инструмента (рис.12.7). Высокая температура в зоне резания приводит к уменьшению твердости и прочности инструментального материала в окрестности режущей кромки. Под действием больших по значению нормальных сил происходит опускание вершины, и размягченный материал выпучивается со стороны задней поверхности, поскольку лежащие ниже слои остаются сравнительно холодными и сохраняют исходную прочность. Опускание вершины приводит к уменьшению фактического переднего угла, т.е. к дальнейшему увеличению силы резания. Выпучивание со стороны задней поверхности уменьшает действительный задний угол и приводит к увеличению площади контакта с обрабатываемой поверхностью и к увеличению температуры. В связи с этим, пластическое деформирование режущей кромки сопровождается катастрофически быстрым износом задней поверхности. Пластическая прочность характеризуется коэффициентом запаса прочности, зависящим от температуры в зоне резания т.е.

n_т=Н_и/Н_ф=Н_и/6_ф , (12.1)

где Н_и  твердость инструментального материала в контактных слоях задней поверхности; Н_ф  твердость обрабатываемого материала в зоне условной плоскости сдвига; _ф  напряжение сдвига (для стали _ф=0,74_В^0,6s, где _s  относительное удлинение; _В  предел прочности при растяжении).

Пластическое деформирование отсутствует, если n1. На практике пластическое деформирование чаще всего наблюдается у инструментов из быстрорежущих сталей и твердых сплавов, работающих с большими сечениями среза на повышенных скоростях.

Рис. 12.7. Пластическое разрушение режущего инструмента

6.2. Хрупкое разрушение и хрупкая прочность режущих инструментов

При хрупком разрушении инструмента пластическая деформация намного меньше упругой. В зависимости от уровня нагрузки, ее характера и температуры в опасных местах возможно разрушение инструмента в связи с однократной перегрузкой, усталостью, трещинообразованием и т.д. По размерам разрушения на режущей кромке различают: поломку  когда размер отдельной части существенно превышает длину контакта инструмента с деталью и стружкой, сколы  с размерами, близкими к длине контакта, выкрашивания  откалывания мелких участков режущей кромки.

Рис. 12.8. Схема процесса хрупкого разрушения инструмента

Поломка инструмента чаще всего является результатом действия чрезмерно большой силы резания, вызывающей в инструментальном материале растягивающее напряжение, превышающее пределы прочности. При непрерывном резании этот вид разрушения происходит обычно при больших значениях подачи и низких скоростях резания. Поломке способствует остаточное напряжение, возникающее в твердом сплаве в результате пайки и заточки. Механически закрепляемые режущие пластины из хрупких твердых сплавов и режущей керамики могут ломаться в результате неправильно выбранной схемы их закрепления. Процесс хрупкого разрушения может быть представлен следующим образом. Под действием силы Р_z в точке В' (рис. 12.8) зарождается трещина, направленная вглубь пластины по кривой В'С под углом 2045. Раскрытие трещины приводит к увеличению касательных напряжений , вызывающих появление второй трещины на задней поверхности у основания пластины. Трещины сближаются, в определенный момент происходит поворот второй трещины, блок ABCDE полностью отделяется. В этот момент уменьшение фактического переднего угла приводит к увеличению сил P_z, P_xy и реакций R_z и R₁ в точке С. Трещина развивается далее в направлении точки G. Сколы на режущей кромке появляются, как правило, в условиях прерывистого резания, т.е. в условиях строгания, фрезерования, а также при токарной обработке мелких деталей с высокими скоростями резания. Процесс прерывистого резания характеризуется тремя специфическими чертами: геометрическими условиями входа инструмента в заготовку, условиями его выхода из заготовки, а также циклическим изменением силовой и тепловой нагрузок. При входе в заготовку инструмент испытывает удар, т.е. быстрое нарастание силы резания, сопровождаемое ростом напряжений в режущем клине. Тем не менее, многие исследователи считают, что сколы режущей кромки при входе происходят не в связи с броском силы резания, а в связи со случайным защемлением стружки между передней поверхностью инструмента и заготовкой. Для исключения возможности появления сколов при врезании следует обеспечить такие геометрические условия входа, при которых точки начального контакта с заготовкой располагаются по возможности дальше от вершины режущей кромки. Более опасным с точки зрения разрушения инструмента считается момент его выхода из заготовки. На рис. 12.9 представлены два последовательных положения инструмента относительно свободной поверхности заготовки при входе.

В определенный момент времени (рис.12.9) между вершиной режущего клина и свободной поверхностью заготовки образуется так называемая зона отрицательного сдвига В, а положительный сдвиг в зоне А прекращается. При дальнейшем относительном движении в основании зоны В зарождается трещина, проходящая на свободную поверхность вдоль поверхности сдвига в зоне В (рис. 12.9). При этом стружка поворачивается в сторону вершины, а ширина площадки контакта уменьшается от 3h до 1/3h т.е. нагрузка на режущую кромку резко возрастает. Циклическое повторение этого процесса в течение определенного промежутка времени работы инструмента вызывает зарождение в режущем клине усталостных микротрещин, направленных параллельно режущей кромке. За время прохождения инструмента по металлу происходит его нагрев теплом резания, а температурный градиент в сторону элементов узла крепления режущей пластины и корпуса является причиной возникновения термических напряжений. Циклическое изменение этих напряжений за период резания и движения по воздуху может вызвать зарождение так называемых «гребенчатых» микротрещин, направленных перпендикулярно режущей кромке. Под действием механической и тепловой нагрузок продольные и поперечные трещины развиваются, пересекаются друг с другом. Так происходит ослабление режущей кромки, следствием которого являются сколы и выкрашивания.

Рис.12.9. Схема вывода инструмента из заготовки при прерывистом резании

Выкрашивания режущей кромки могут появляться также в результате встречи с твердыми включениями в обрабатываемом материале, в результате разрушения нароста, а также как следствие адгезионных контактных процессов. Чем ниже шероховатость контактных поверхностей, тем меньше склонность к выкрашиванию. В связи с этим поверхности инструментов из хрупких материалов, особенно при чистовой обработке, подвергаются доводке и электрохимической обработке.