714

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

ивиды износа инструмента

Врезультате высокого давления, температуры и скорости отно-

сительного 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.

Рис. 97. Виды износа инструмента

211

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 hл 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 γ и угла резания δ.

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 hЛ (см. рис. 97, в).

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

212

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 γ = +5° длина лунки с растет в обе стороны, в результате чего ширина фаски f уменьшается, (рис. 98, 1 и 3).

213

Рис. 98. Изменение ширины фаски и лунки износа на передней поверхности резца с различными передними углами: 1 – с1 при

γ = +5°; 2 – с2 при γ = –35°; 3 – f1 при γ = +5°; 4 – f2 при γ = –35°

Между тем у резца с передним углом γ = –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 δф, стружка более плавно отходит (рис. 99). В этих условиях облегчается образование устойчивого нароста, защищающего режущую кромку вместе с фаской на передней поверхности

214

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.

Надо 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

вобрабатываемую 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

вэтом 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,

215

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.

Большой 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 изно-

су 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

216

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

217

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.

Мерой 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 hл. При чистовой размерной обработке изношенность инструмента удобно оценивать линейным размерным радиальным износом hr (рис. 101), харак-

теризующим 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, кото-

218

рой 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 = π D l , 1000S

где l – длина обработанной поверхности; D – наружный диаметр заготовки.

4.2.2.Физическая сущность

ивиды изнашивания инструментов

Несмотря на то, что износ инструмента является важнейшим показателем его работоспособности, физическая природа изнашивания изучена еще очень плохо вследствие исключительной сложности контактных процессов, протекающих на передней и задней поверхностях инструмента. Существует ряд гипотез, объясняющих физическую природу изнашивания инструментов, работающих в различных условиях. По этим гипотезам основными причинами, приводящими к изнашиванию контактных поверхностей инструмента, являются: а) абразивное действие, оказываемое обрабатываемым материалом (абразивное изнашивание); б) адгезионное взаимодействие между инструментальным и обрабатываемым материалами (адгезионное

219

изнашивание); в) диффузионное растворение инструментального материала в обрабатываемом (диффузионное изнашивание); г) химические процессы, происходящие на передней и задней поверхностях (окислительное изнашивание).

Абразивное изнашивание

Одним из видов износа режущего инструмента является абразивный износ, который в отдельных случаях может иметь основное значение. Механизм абразивного износа состоит в том, что твердые включения обрабатываемого материала (Ni3Тi; Ni3(А1,Тi) и др.), внедряясь в контактные поверхности инструмента, царапают эти поверхности, действуя как микроскопические резцы. Наиболее сильно абразивный износ проявляется в том случае, когда твердость режущей части инструмента в процессе резания невелика.

При трении поверхности резания о задние поверхности, а стружки – о переднюю поверхность инструмента твердые микрокомпоненты материала обрабатываемой детали царапают материал инструмента, постоянно разрушая его. Интенсивность абразивного изнашивания возрастает при увеличении содержания в сталях цементита (НВ 800) и сложных карбидов, в чугунах – цементита и фосфидов, в силуминах – карбида кремния, в жаропрочных сплавах – интерметаллидов, которые сохраняют высокую твердость даже при высоких температурах резания. Контактные поверхности инструмента могут также царапать частицы периодически разрушающегося нароста, твердость которого значительно превосходит твердость материала обрабатываемой детали. Особенно сильно изнашивается задняя поверхность, на которой появляются углубления в виде канавок, перпендикулярные к главному лезвию.

Абразивное изнашивание усиливается при резании в химически активных средах (например, в четыреххлористом углероде), ослабляющих сопротивляемость контактных поверхностей инструмента царапанью. Абразивное действие обрабатываемого материала становится тем сильнее, чем меньше отношение твердостей инструмен-

220