8.2. Внешняя картина изнашивания лезвий инструментов

В зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого материала, геометрии и материала режущего инструмента, элементов режима резания (скорости резания и подачи) и смазочно-охлаждающей жидкости характер износа резцов может протекать по-разному. Различают следующие три вида износа резцов (рис. 8.1):

Рис. 8.1. Характер износа режущего клина:

а – износ только по передней поверхности

(l_л, h_л – соответственно длина и глубина лунки);

б – износ только по задней поверхности (h_з – длина площадки); в – износ одновременно по задней и передней поверхностям

(f – фаска)

1. Износ происходит только по задней поверхности (рис. 8.1, б), что бывает обычно

при работе с малой толщиной срезаемого слоя а  0,1 мм и при низких скоростях резания. Износ по задней поверхности характеризуется наибольшими размерами изношенной площадки h_з.

2. Износ происходит только по передней поверхности (рис. 8.1, а), что обычно бывает при обработке пластичных металлов резцами из быстрорежущей стали с толщиной срезаемого слоя а  0,1 мм и высоких скоростях резания без охлаждения. Износ по передней поверхности характеризуется глубиной лунки h_л, шириной лунки b_л и длиной лунки l_л.

3. Износ происходит одновременно по передней и задней поверхностям (рис. 8.1, в). Такой вид износа имеют быстрорежущие резцы при обработке пластичных металлов при уменьшении скорости резания или толщины среза.

При обработке хрупких материалов (чугун, бронза) износ происходит в основном по задней поверхности независимо от материала инструмента.

На рис. 8.2 показано нарастание износа инструмента по задней поверхности в зависимости от продолжительности работы. Кривую износа резца в зависимости от времени резания можно разделить на три периода: первый период (I) – период приработки – на протяжении этого периода происходит сильное истирание наиболее выступающих частиц поверхности; второй период (II) – период нормального износа; третий период (III) – период повышенного или катастрофического износа. В этот период при достижении величины износа, соответствующей точке В, происходит резкое увеличение интенсивности нарастания износа, приводящее к быстрому разрушению резца, поэтому нецелесообразно доводить резец до износа, превышающего это значение. Величина износа h_з, соответствующая точке В – точке перегиба на кривой износа, называется оптимальным износом.

Рис. 8.2. Зависимость износа резца от времени работы

На рис. 8.3 изображена схема износа передней поверхности инструмента.

Рис. 8.3. Схема износа передней поверхности инструмента

Образовавшаяся на ней лунка износа характеризуется размерами: шириной в_л, длиной l_л и глубиной h_л. По мере работы инструмента первые следы износа появляются в точке О, соответствующей максимальной температуре передней поверхности. Ширина и глубина лунки постепенно увеличиваются, а радиус кривизны кривой, очерчивающей дно лунки, уменьшается. Одновременно сокращается перемычка f от края лунки до главного лезвия. Центр кривизны лунки по мере изнашивания передней поверхности отодвигается от главного лезвия, а поэтому по ширине лунка от главного лезвия удаляется значительно быстрее, чем приближается к нему. Перемычка f между главным лезвием и краем лунки имеется только в том случае, когда на передней поверхности образуется хорошо развитый и устойчивый нарост, отодвигающий стружку от главного лезвия инструмента. Когда нароста нет или он настолько мал, что не может оказать защитного действия по отношению к инструменту, то перемычка отсутствует и лунка полностью не формируется.

Изменение размеров лунки по мере изнашивания передней поверхности изображено на рис. 8.4. Ширина в_л лунки, равная рабочей длине главного лезвия, за все время работы инструмента остается одинаковой. Глубина h_л лунки вначале возрастает быстро, затем ее рост замедляется и только после определенного периода работы инструмента вновь интенсивно возрастает. Таким образом, на кривой, характеризующей рост глубины лунки, наблюдаются периоды приработки, нормального и катастрофического изнашивания. Длина l_л лунки, как и ее глубина, вначале возрастает быстро, а затем ее рост замедляется. Перемычка f, если она имеется, интенсивно уменьшается при быстром росте длины лунки. Когда же темп роста длины лунки замедляется, то замедляется и уменьшение размера перемычки.

Рис. 8.4. Изменение размеров лунки по мере работы

Для инструмента, оснащенного твердым сплавом, вследствие его высокой твердости и незначительного ее уменьшения с повышением температуры почти не наблюдается периода повышенного износа (рис. 8.5). В зависимости от материала заготовки и резца, элементов режима резания, геометрии режущей части резца и других условий обработки, резцы изнашиваются по-разному.

Рис. 8.5. Кривые износа твердосплавного резца (Т15К6)

при обработке стали:

1- резец только заточен, 2 – резец заточен и доведен

При резании хрупких металлов (чугун, бронза) резцы изнашиваются в основном по задней поверхности независимо от материала резца. Это объясняется тем, что сыпучая стружка надлома производит малое истирающее действие передней поверхности резца, тогда как его задние поверхности находятся с заготовкой в постоянном контакте. И лишь при высоких скоростях резания наблюдается износ и по передней поверхности. Вследствие высокого истирающего действия чугуна (усиливающегося за счет посторонних примесей) резец выйдет из строя (т.е. затупится) при более низкой температуре резания по сравнению с температурой резания при обработке стали.

При резании вязких металлов износ резца будет протекать более сложно. На малой скорости резания, когда нарост отсутствует, изнашивается в основном задняя поверхность. Это объясняется тем, что скорость трения на задней поверхности выше, чем скорость трения (скольжения) стружки по передней поверхности (из-за усадки стружки). Однако при толстых стружках, когда давление на переднюю поверхность выше, образуется лунка.

На скоростях резания, при которых нарост устойчив, он приобретает «активную» форму и может несколько защищать заднюю поверхность от износа, а поэтому при толстых стружках и отсутствии смазочно-охлаждающей жидкости износ в основном будет протекать по передней поверхности резца (за наростом). По мере увеличения длины лунки и уменьшения опорной площадки под наростом, нарост уменьшится настолько, что не сможет защищать заднюю поверхность, и она начнет изнашиваться. При тонких стружках с применением смазочно-охлаждающей жидкости условия для наростообразования ухудшаются, а поэтому износ в этой зоне скорости резания будет протекать и по задней поверхности.

На высоких скоростях резания, начиная с которых нарост отсутствует, при тонких стружках (а  0,1 мм) износ протекает больше по задней поверхности. При толстых же стружках, наоборот, износ будет больше по передней поверхности. Это объясняется тем, что при толстых стружках, наряду с большим давлением на переднюю поверхность, температура на ней выше, чем на задней.

Рассмотренный характер износа при обработке стали для резцов из быстрорежущих сталей сохраняется в основном и для резцов с пластинками твердых сплавов. Однако вследствие хрупкости твердых сплавов износ по задней поверхности у них больше, чем по передней; особенно это относится к работе на малых скоростях резания, когда износ по лунке почти отсутствует. Нарост для твердосплавного резца не является защитным фактором от износа, а может, наоборот, являться причиной разрушения режущей кромки, так как разрушение нароста может сопровождаться усиленным выкрашиванием твердого сплава (вследствие его повышенной хрупкости).

На износ резцов с пластинками из твердых сплавов оказывает влияние и род обрабатываемого металла; титановольфрамовые сплавы, например, меньше изнашиваются при обработке стали и больше - при обработке чугуна.

Резцы, оснащенные минералокерамическими пластинками, изнашиваются в основном по задней поверхности; на передней поверхности образуется незначительная лунка.

На износ резца большое влияние оказывает шероховатость (микрогеометрия) поверхностей заточки резца. Чем менее шероховаты передняя и задняя поверхности резца, тем меньше трение между поверхностями контакта. На рис. 7.5 даны зависимости износа резца с пластинкой из твердого сплава Т15К6 при обработке стали от времени работы. При одинаковой величине износа (h_З = 0,8 мм) заточенный резец, но не доведенный (с более шероховатыми поверхностями), имеет меньшую стойкость (меньшее время работы), чем тот же резец, но заточенный и затем доведенный (Т₁  Т₂).

Исследования показывают, что при увеличении угла резания износ по передней поверхности усиливается.

Чем больше радиус округления  режущей кромки, тем больше износ по задней поверхности, особенно при малой толщине среза, когда влияние  на деформацию среза и силы резания (особенно Р_у) более интенсивно.

Применение смазочно-охлаждающих жидкостей в процессе резания уменьшает износ резцов (особенно по передней поверхности), что объясняется облегчением процесса стружкообразования, снижением сил трения на поверхностях скольжения и уменьшением температуры нагрева инструмента. Из зависимости показанной на рис. 8.6 видно, что если при работе всухую глубина лунки износа резца за 33 мин машинного времени была около 0,23 мм, то при работе с охлаждением износ за тоже время работы равнялся 0,15 мм.

Для количественной оценки износа используются линейная или массовая мера. В первом случае износ лезвий инструментов h₃ и l_л измеряют с помощью луп или специальных микроскопов с точностью до 0,01...0,05 мм. Для измерения глубины лунки пользуются индикатором. Эти измерения называются микрометрическими. В производственных условиях иногда ограничиваются значением h₃, определяемым с точностью до 0,1 мм. При использовании массовых мер стремятся учесть всю массу продуктов износа лезвия за период его работы. Это осуществляют взвешиванием или расчетом объема изношенной части резца по результатам обмеров.

Рис. 8.6. Зависимость износа резца по передней

поверхности от времени работы:

1 – всухую; 2 – с охлаждением эмульсией

Практическое значение имеет не только абсолютный износ и характер кривой , но и интенсивность изнашивания

или ,

где h₃ - износ задней поверхности резца;

L_peз - путь резания;

m - масса изношенных участков режущего лезвия.

Анализ формы кривых изнашивания показывает, что они зависят от скорости резания и пары обрабатываемый - инструментальный материалы. Например, при точении сталей и чугунов твердыми сплавами группы ТК зависимости I = f(V) имеют нелинейный характер с ярко выраженным минимумом, а сплавами группы ВК - зависимости монотонны (рис. 8.7). На значение I влияют также толщина среза, условия охлаждения, геометрия режущего клина и другие параметры. Характер этого влияния позволяет установить наиболее рациональные условия работы инструментов.

Рис. 8.7 Зависимость интенсивности изнашивания

от скорости резания:

1 – Т15К6 – сталь; 2 – ВК6 – чугун

Величина износа передней и задней поверхностей инструмента (ширина площадки износа и глубина лунки) зависит от времени работы инструмента, температуры резания и скоростей перемещения поверхности резания и стружки относительно задней и передней поверхностей. В результате обработки опытных данных, полученных при изучении влияния времени работы инструмента, глубины резания, подачи и скорости резания на ширину площадки износа и глубину лунки износа, были составлены эмпирические формулы, описывающие связь между величиной износа и факторами режима резания для периода нормального изнашивания инструмента. Формулы имеют вид:

Проф. А. М. Даниеляном для различных видов работ были получены следующие формулы износа:

1. при точении детали из стали, имеющей _в=820 Н/мм², резцом из твердого сплава Т5К10

h₃=С_h Т^0,7 V^5,3 s^3,2 t^0,5;

2. при сверлении детали из стали 40Х сверлом из стали Р18

h₃=С_h Т^1,42 V^4,9 s^2,4 ;

3. при фрезеровании детали из стали 40Х цилиндрической фрезой из стали Р18

h₃=С_h Т^1,72 V^4,2 s_z ^1,38 t^1,22.

Как видно из формул, величины показателей степени в зависимости от вида работ, рода обрабатываемого и инструментального материалов колеблются в широких пределах. Но во всех случаях и при любых режимах резания m_h  n_h  q_h, т.е. на величину износа наибольшее влияние оказывает скорость резания, затем подача и наименьшее – глубина резания. Из этого следует, что интенсивность влияния параметров режима резания на величину износа задней поверхности такая же, как и на температуру резания. Параметры режима, которые оказывают большее влияние на температуру резания, также сильнее влияют и на износ задней поверхности инструмента и наоборот.