8. Износ инструментов и критерии затупления

8.1. Физическая природа изнашивания инструментов

Режущий инструмент, вызывая отделение срезаемого слоя металла от основной его массы, в то же время сам изнашивается, подвергаясь воздействию обрабатываемого материала и сходящей стружки.

На основании многочисленных исследований установлено, что в зависимости от условий резания интенсивность износа инструментов определяется совершенно различными по своей природе процессами. В этом смысле различают несколько видов износа, хотя в реальных условиях некоторые из них действуют одновременно. Рассмотрим основные виды износа токарных резцов.

Механический износ. На рабочих поверхностях и режущих кромках инструмента всегда имеются мельчайшие сколы, прижоги, микротрещины, играющие роль концентратов напряжений. В процессе резания механические нагрузки достигают таких величин, что становится возможным отрыв от основной массы отдельных частиц инструментального материала. Внешне это проявляется в округлении и выкрашивании режущих кромок. Механический износ чаще всего наблюдается при точении минералокерамическими и твердосплавными резцами вязких и прочных материалов при относительно невысоких скоростях резания. Его интенсивность резко возрастает при наличии динамических явлений (вибраций) в системе СПИД.

Такие мероприятия, как доводка упрочняющих фасок, предварительное искусственное округление режущих кромок, качественная заточка резцов и т. д. позволяют в значительной мере исключить причины, вызывающие этот вид износа.

Абразивный износ. Обрабатываемый металл оказывает абразивное, царапающее воздействие на инструмент. Темп износа возрастает, если в структуре обрабатываемого материала имеются весьма твердые составляющие, сохраняющие достаточно высокую твердость даже при энергичном разогреве. К ним относятся: цементит в сталях; цементит и фосфиды в чугуне; карбид кремния в силуминах; интерметаллиды в жаропрочных сплавах и т. п. Износ увеличивается также в том случае, когда между трущимися поверхностями в значительном количестве заклинивается стружка или попавшие из вне новые абразивные частицы. Интенсивность абразивного износа зависит от отношения контактных твердостей инструментального и обрабатываемого материалов в условиях резания Н_ИМ/Н_ОМ. Поэтому рассматриваемый вид износа играет большую роль для резцов из инструментальных сталей. Твердость же металлокерамики во всем диапазоне температур обычно выше, чем обрабатываемого металла. Ярко выраженный абразивный износ задних поверхностей твердосплавных инструментов может наблюдаться при резании в зоне наростообразования. В момент разрушения нароста часть его, имея высокую твердость и скользя по задней поверхности резца, интенсивно изнашивает последнюю.

Для уменьшения абразивного износа следует уменьшить абразивные свойства обрабатываемого металла путем его термической обработки. Аналогичный эффект достигается при точении детали в нагретом состоянии.

Адгезионный износ. Фактическая (истинная) площадь контакта между двумя прижатыми друг к другу телами вследствие имеющихся на них микроскопических неровностей мала по сравнению с видимой (номинальной). Поэтому при резании в местах фактического контакта инструмента со стружкой и деталью давления достигают огромных значений. Высокие давления, а также интенсивный рост температуры, являющийся следствием локальных пластических деформаций, создают условия для прочного соединения (сваривания) в отдельных зонах двух разнородных материалов, образуются так называемые мостики схватывания, разрушение которых сопровождается, как правило, вырывом некоторого объема наименее прочного материала стружки и свариванием их с более прочным металлом инструмента. Увеличение размеров приварившихся инородных частиц и последующее их срезание повторяются до тех пор, пока под действием переменных нагрузок не произойдет локальное разрушение поверхности инструмента в месте существовавшего ранее микровыступа. Этому в значительной степени способствует то обстоятельство, что в наружных слоях инструмента всегда имеются поры, трещины, неравномерное распределение внутренних напряжений, неоднородность структуры, химического состава и т.п.

Адгезионный износ быстрорежущих резцов может характеризоваться весьма высоким темпом, так как параллельно с указанными выше явлениями в их поверхностных слоях происходят локальные структурные превращения. Там, где затормозилась частица обрабатываемого металла, под влиянием высоких температур и давлений совершается процесс распада мартенсита с образованием менее прочных структур троостомартенсита и троостита.

Темп износа в подобных случаях в значительной степени обусловлен скоростью структурных превращений в инструментальной стали. При резании, вследствие интенсивных пластических деформаций поверхностных слоев инструмента, скорость структурных превращений намного больше таковой при обычном нагреве.

На основании сказанного выше о природе адгезионного износа нетрудно понять, какое влияние на его интенсивность оказывают условия резания и свойства обрабатываемого и инструментального материалов. Повышение твердости рабочих поверхностей резца вызывает резкое снижение износа. При этом уменьшаются вероятность локального разрушения инструмента и размеры частиц, вырываемых с его поверхности. Таким образом, интенсивность износа в данном случае можно рассматривать как функцию отношения Н_ИМ/Н_ОМ. Применение СОЖ с достаточно высокими смазочными свойствами снижает адгезию, так как на контактных поверхностях образуются защитные пленки.

Увеличение скорости резания в зависимости от конкретных условий может уменьшать или увеличивать интенсивность износа. С одной стороны, при этом растут температура и темп образования и разрушения микрозон схватывания на рабочих поверхностях резца, что способствует адгезии. С другой стороны, как правило, при повышении контактной температуры, увеличивается отношение Н_ИМ/Н_ОМ (особенно при точении твердосплавными и минераллокерамическими инструментами), что вызывает уменьшение износа.

Окислительный износ. Внешняя среда оказывает активное влияние на процесс резания. На контактирующих поверхностях инструмента, а также стружки и детали адсорбируется кислород воздуха. Легко диффундируя в пластически деформированные наружные слои металлов, он образует с ними (металлами) твердые растворы и химические соединения. В результате на трущихся поверхностях возникают защитные пленки окислов. Их физико-механические свойства и определяют темп и характер износа в подобных случаях.

Если в процессе резания нарушается сплошность защитных пленок на отдельных участках, то там наблюдается непосредственный контакт.

В тех случаях, когда окисленные слои имеют меньшую прочность, чем основной материал инструмента, темп износа определяется, главным образом, скоростью образования и разрушения оксидных пленок. Именно в этом смысле и употребляется термин «окислительный износ».

Способностью образовывать прочные пленки, предотвращающие непосредственный контакт между обрабатываемым и инструментальным материалами, обладает не только кислород, но и некоторые компоненты смазочно-охлаждающих жидкостей. Особенно эффективны с точки зрения уменьшения износа инструмента жидкости, содержащие в своем составе соединения хлора, фосфора и серы. Процесс разрушения пленок, образующихся на рабочих поверхностях резца в результате химических реакций инструментального материала с активными компонентами внешней среды, носит общее название «химического износа». Окислительный износ является его частным случаем.

Диффузионный износ. При высоких скоростях резания (120…180 м/мин и выше) превалирующим является адгезионный износ резцов. С ростом скорости (контактной температуры) отношение Н_ИМ/Н_ОМ непрерывно увеличивается, вследствие чего темп износа уменьшается (см. выше). Однако, когда температура становится выше 850…1000 С, наблюдается резкое увеличение темпа износа. Последнее связано с интенсификацией диффузионных процессов в контактных слоях инструментального и обрабатываемого материалов. Эти явления практически не наблюдаются при точении быстрорежущими резцами, так как максимальные температуры на их рабочих поверхностях значительно ниже указанных. Поэтому далее речь пойдет в основном о твердосплавном инструменте.

Диффузионный износ резцов заключается в том, что атомы элементов, входящих в состав инструментального материала, переходят (диффундируют) в стружку и деталь. Основным законом диффузии является так называемый параболический закон роста диффузионного слоя, согласно которому в начальный период контакта металлов скорость взаимного растворения их компонентов очень высока. А затем резко уменьшается во времени. При резании в контакт с инструментом входят все новые и новые слои обрабатываемого материала, вследствие чего темп диффузионных процессов постоянно поддерживается на максимальном уровне. Интенсивность диффузионного растворения также сильно зависит от температуры. Этим, в частности, объясняется наблюдаемый в ряде случаев катастрофически быстрый выход из строя резцов при   (850…1000 С), хотя до указанных значений температуры диффузия не оказывала сколько-нибудь заметного влияния на их износ. Одновременно с диффузионным переносом атомов инструментального материала в стружку совершается также процесс диффузии атомов обрабатываемого материала (железо, углерод) в кристаллическую решетку инструментального материала. В результате при обработке сталей металлокерамическим инструментом на его рабочих поверхностях часто образуется дефектный, легко разрушаемый слой.

Износ инструментов из вольфрамо - кобальтовых (однокарбидных) сплавов происходит в результате диффузии углерода и вольфрама в  - железо детали стружки, а также вследствие обратной диффузии железа в твердый сплав. На износ многокомпонентных твердых сплавов решающее влияние оказывает то обстоятельство, что различные компоненты, входящие в состав металлокерамики, имеют неодинаковую скорость растворения в обрабатываемом металле. В частности, карбиды титана диффузионно растворяются медленнее, чем карбиды вольфрама. Поэтому при точении стали резцами из сплавов типа ТК вначале происходит преимущественное растворение карбидов вольфрама. На поверхностях инструмента образуются выступы титанистого карбида, углубления между которыми заполняются сталью. Ее застой в углублениях инструментальной поверхности приводит к замедлению диффузионных процессов. Поэтому при одинаковой температуре резания диффузионный износ титановольфрамовых резцов оказывается меньшим, чем вольфрамо-кобальтовых.

Важным свойством инструментального материала является его химическая инертность по отношению к обрабатываемому металлу. Чем меньше их химическое сродство, тем слабее проявляются диффузионные процессы. С этой точки зрения при скоростной обработке стали по сравнению с вольфрамо-кобальтовыми предпочтительны инструменты на основе карбидов титана, тантала или ниобия.