книги из ГПНТБ / Макаров, А. Д. Износ инструмента, качество и долговечность деталей из авиационных материалов учебное пособие

ГЛАВА III

ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗМЕРНОЙ СТОЙКОСТИ ИНСТРУМЕНТА

Размерная стойкость

Размерная стойкость весьма важна для анализа вопросов., связанных с работоспособностью инструмента в условиях авто­ матизированного производства. Размерную стойкость инструмента зачастую характеризуют временем его работы Т, в течение кото­ рого текущее среднее значение размера обрабатываемых деталей располагается в пределах части поля допуска, выделенной на

Иногда размерную стойкость режущих инструментов характе­ ризуют количеством деталей N, изготовленных в пределах до­ пуска без вмешательства оператора для регулирования или за­ мены инструмента. Но время работы инструмента Т и количество деталей N не являются универсальными характеристиками раз­ мерной стойкости инструментов. Время обработки деталей Т лишь в том случае может служить для сравнительной характери­

противоречивые выводы. Рассмотрим пример. Пусть имеются два

во втором случае П = 10-50*40-0,15 = 3- 10s см2. Следовательно, фактически второй вариант является менее благоприятным-.

О размерной стойкости инструмента можно судить по коли честву обработанных деталей лишь в том случае, когда обраба­ тываемые детали имеют одинаковую конфигурацию и размеры.

20

Обозначения те же, что и в выражении (2.8).

Линейный относительный износ является обратно пропор­ циональной величиной длины пути резания. По сравнению с дли­ ной пути резания линейный относительный износ — более удоб­ ная и ценная характеристика размерной стойкости инструментов,, ибо величина h0„не зависит от принятой величины критерия за­ тупления, в то время как длина пути резания является прямой функцией величины радиального износа, принимаемого в качест­ ве критерия затупления. Как отмечалось выше, когда исследует­ ся физическая сущность процесса износа вершины режущих ин­ струментов, линейный относительный износ является наиболееобъективным показателем износа. Однако если сравниваемые ин­

непригодными для проведения анализа вопросов, связанных с проблемой размерной стойкости инструментов.

Более объемлющими являются новые характеристики размер­ ной стойкости: скорость размерного износа, поверхностный от­ носительный износ и удельная размерная стойкость [3].

Под скоростью размерного износа Vh понимается скоростьукорочения инструмента в радиальном направлении в периоденормального износа, т. е.

■(3.2>

И

!Из выражения (3.2) следует, что'величина ии зависит от уровня

.применяемых скоростей резания и подач.

Поверхностным относительным износом называется радиаль­ ный износ инструмента, отнесенный к 1000 сма обработанной по­ верхности, т. е.

Как отмечалось выше, поверхностный относительный износ чис­ ленно совпадает с приведенным износом вершины резца, поэтому

Поверхностный относительный износ и удельная размерная

•стойкость могут быть использованы для сравнительной оценки размерной стойкости выбираемых режущих инструментов, для анализа точности и экономичности вариантов технологических процессов и режимов резания, а также для проведения расчетов точности обработки на металлорежущих станках и для конст­

руирования систем автоматического (программного) управления ■технологическими процессами. На проведение указанного анали­ за с использованием поверхностного относительного износа не ■накладывается никаких ограничений со стороны размеров обра­ батываемых деталей, допустимой величины износа инструмента -и элементов режима резания.

Оценка различных характеристик размерной стойкости дана :в табл. 3.1 [3], где знак + означает, что при сравнении режу­ щих инструментов или вариантов режима резания по данной характеристике должно соблюдаться равенство ограничивающих -факторов. Так, например, нельзя по величине площади обрабо­ танной поверхности делать заключение о преимуществах того

.или иного резца, если они были доведены до разной степени

.затупления.

Следует заметить, что в выражениях (3.1) — (3.4) вместо ра-

.диального износа hr можно использовать ширину фаски износа по задней поверхности у вершины резца h3B. С точки зрения -физики явления это практически ничего не изменяет (если при ■этом учесть геометрические параметры режущий части инстру­ мента). Однако тогда показатели размерной стойкости трудно

:22

Т а б л и ц а З.Ь

Характеристики размерной стойкости инструмента

будет связать с точностью обработки, так как между hr и /г3в. может не быть строгой пропорциональности (из-за пластическо­ го течения при износе, сколов и т. п.).

Геометрическая трактовка ^ОИ и Тур

Значения поверхностного относительного износа и удельной; размерной стойкости могут быть определены графически. Дляэтого необходимо кривую износа представить в координатах;

23-

«радиальный износ, мкм — площадь обработанной поверхности, <сж2», (рис. 3.1).

Пусть отрезок А В кривой износа соответствует зоне нормальлого износа. Тогда для определения hoa необходимо по оси абс-

.цисс в интервале, соответствующем нормальному износу, взять л масштабе отрезок CD, численно равный 1000 см2. Восстановить в точках С и D перпендикуляры до пересечения с кривой износа

щадь обработанной поверхности, соответствующая зоне нормальлого износа, больше или равна 1000 см2.

Факторы, влияющие на износ и стойкость режущих инструментов

Износ режущих инструментов представляет собой сложное ‘физическое явление, происходящее в тяжелых условиях трения: контактирующие поверхности инструмента и обрабатываемой

.детали скользят друг относительно друга при повышенных на-

.грузках, скоростях, температурах и достаточно высоком ваку­ уме, обеспечивающем ювенильность контакта.

•24

Контактирующие поверхности инструмента под воздействием сил трения могут разрушаться (изнашиваться) различным обра­ зом. Тот или иной вид разрушения зависит как от свойств тру­ щихся тел, так и от внешних условий, нагрузки, температуры и пр. Нагрузка и температура, а также скорость взаимного пере­ мещения контактирующих поверхностей в значительной мере опре­ деляют вид нарушения фрикционных связей [4, 5]. При скольже­ нии поверхностные слои нагреваются, в результате чего свойства их изменяются. В некотором интервале нагрузок и температур вид. нарушения фрикционных связей остается неизменным, типичным, для данных условий. В связи с этим оказывается возможным раз­ личать виды износа.

В настоящее время можно считать установленным, что режу­ щий инструмент в зависимости от условий резания подвергается, различным по природе видам износа — адгезионному, абразив­ ному, диффузионному, химическому и др. В зависимости от усло­ вий резания инструмент может подвергаться одновременно дей­ ствию различных видов износа или доминирующим может яв­ ляться один вид износа.

Одной из специфических особенностей трения и износа при резании является то, что одна из трущихся пар — обрабатывае­ мый материал — является заданной и заложена в конструкции из­ готовляемой детали.

Задача технолога заключается в подборе наиболее благоприят­ ной контрпары (инструментального материала) и создании таких условий контактирования (за счет регулирования прочих пара­ метров), чтобы износ инструмента был по возможности наимень­ шим, а показатели качества обработанной поверхности детали соответствовали поставленным требованиям.

Рассмотрим кратко некоторые факторы, влияние которых на условия контактирования при резании металлов и износ инстру­ ментов может быть существенным.

а) свойства обрабатываемого материала

Обрабатываемый материал является одной из трущихся пар, в значительной мере обусловливающей условия в зонах контакта с инструментом. В большинстве случаев этот материал не обла­ дает необходимыми антифрикционными свойствами, удовлетво­ ряющими требованиям эксплуатации готовой детали. Поэтому свойства обрабатываемых материалов оказываются зачастую (особенно в связи с внедрением новых высокопрочных легирован­ ных конструкционных материалов) неблагоприятными с точки зрения износа режущего инструмента.

Характерной особенностью трения при резании является так­ же и то, что обрабатываемый материал, будучи одной из трущих­ ся пар, приводится в местах контакта в пластическое состояние. В результате пластического деформирования и относительного'

25

перемещения трущихся пар в тонком поверхностном слое обра­ зуется тепло. При этом повышение температуры может привести к местному размягчению материалов, схватыванию, диффузии,

.окислению и т. п.

Следовательно, на обстановку в зонах контакта с обрабаты­ ваемым материалом существенное влияние должны оказывать ме­ ханические свойства материала (пределы текучести и прочности, твердость, относительное удлинение и сужение и др.), а также некоторые физические свойства (теплопроводность, излучатель­ ная способность и др.). Эти свойства в значительной мере зави­ сят от химсостава обрабатываемых материалов, их структуры и фазового состава. При этом следует иметь в виду, что в процессе резания (высокоскоростного деформирования) свойства обрабаты­ ваемого материала в местах контакта могут существенно изменять­ ся как под влиянием деформации и температуры, так и под воз­ действием окружающей среды и свойств контрпары трения (инст­ рументального материала).

б) свойства инструментального материала

Вторым телом, участвующим в контакте при резании, являет-

•ся инструмент. Чтобы процесс трения проходил в более благо­ приятной обстановке, инструментальные материалы должны обла­ дать антифрикционными свойствами, быть износостойкими и жа­ ростойкими, иметь повышенную жаропрочность, теплопровод­ ность и твердость. И все-таки, если бы даже удалось создать инструментальный материал, обладающий всеми этими свойствами, он не был бы универсальным, так как в зависимости от свойств первого контактирующего тела — обрабатываемого материала — и окружающей среды свойства тончайших контактных слоев ин­ струментального материала будут существенно изменяться. По­ этому имеется целый ряд инструментальных материалов, и этот ряд постоянно пополняется новыми в связи с появлением новых конструкционных обрабатываемых материалов, обладающих теми или иными специфическими свойствами. Поэтому очень важно уметь безошибочно производить выбор наиболее благоприятной марки инструментального материала для обработки заданной де­ тали с учетом прочих параметров резания.

[в) прочие параметры резания

К прочим параметрам процесса резания относятся прежде всего элементы режима резания: скорость, подача и глубина. Скорость резания определяет скорость относительного скольже­ ния контактирующих тел. Следовательно, скорость резания в значительной степени предопределяет температуру в зонах кон­ такта, время нахождения в контакте трущихся поверхностей, плотность контакта, упрочнение и разупрочнение обрабатывае­

26

мого материала и пр. Все это делает скорость резания одним изважнейших параметров, регулирующих условия контактирования, и износа режущих инструментов и влияющих на производитель­ ность обработки.

Подача и-глубина резания, образующие площадь сечения сре­ заемого слоя, тоже существенно влияют на производительностьобработки. Эти элементы режима резания назначаются в соответ­ ствии с припуском на обработку, точностью и требованиями к качеству обработанной поверхности. Они могут также существенно* влиять на обстановку в зонах контакта, изменяя температуру* плотность контакта, направление пластического течения, нагруз­ ки. Все это находит отражение в износе режущих инструментов.-

Геометрические параметры инструментов могут существенно-- влиять на условия и характер формирования обрабатываемого ма­ териала, изменять тепловую и силовую напряженность в зонах контакта, поэтому требуют особого внимания при их назначении_ Если назначение некоторых геометрических параметров режущей части инструментов связано с конструктивными особенностями обрабатываемой детали и условиями стружкоотвода, то другие геометрические параметры должны быть призваны облегчить ус­ ловия трения в процессе резания.

Для облегчения напряженности в зонах контакта инстру­ мента с обрабатываемой деталью широко используются и другие средства: применяют смазочно-охлаждающие средства, произво­ дят подогрев зоны резания, накладывают на процесс резания виб­ рации (колебания) и др. Смазочно-охлаждающие средства оказы­ вают многостороннее воздействие на процесс трения при резания. Это уменьшение температуры контакта; пластифицирование тон­ ких прилегающих к контакту слоев; появление защитных окисных и сорбированных пленок и др. Эффективность смазочно­ охлаждающих средств зависит также от способа их подвода в зону

резания.

Подогрев зоны резания изменяет физико-механические свой­ ства обрабатываемого материала, пластифицирует тонкие контакт­ ные слои, изменяет плотность контакта, способствует появлениюзащитных пленок. Все это сказывается на облегчении процесса трения. Но увеличение температуры контакта при этом в ряде случаев может ухудшить условия трения и повысить интенсив­ ность износа инструмента. Зачастую подогрев зоны резания не­ возможен вследствие невыполнения конструктивных требований

кобрабатываемой детали.

Впроцессе резания могут возникать периодические колеба­

ния отдельных элементов системы СПИД большой частоты, назы­ ваемые вибрациями. Возникновение вибраций при обработке ре­ занием характеризуется возмущающими силами и свойствами уп­ ругой системы; соотношение между этими параметрами определяет как возможность возникновения вибраций, так и их амплитуду к частоту. Изменяя плотность контакта и температуру, вибрации

27

ГЛАВА IV

МЕХАНИЗМ И ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИЧИНЫ ИЗНОСА РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Изучение механизма и физической природы износа режущих инструментов постоянно привлекало и привлекает внимание ис­ следователей, занимающихся в области резания металлов. Вы­ двинутые гипотезы и теории износа относились вначале в основ­ ном к инструментам из углеродистых и быстрорежущих сталей, затем — к твердым сплавам, алмазу, минералокерамике и другим инструментальным материалам.

В настоящее время большинство исследователей считает, что режущий инструмент подвергается различным по природе видам износа — адгезионному, абразивному, диффузионному, химическо­ му и др. В зависимости от условий резания доминирующим может быть один вид износа, или же инструмент может подвергаться одновременно действию различных видов износа.

Для установления закономерностей изменения суммарного износа необходимо иметь представление о механизме всех основ­ ных видов износа.

Адгезионный износ

Под адгезионным износом обычно понимают отрыв или срез силами адгезии мельчайших частиц инструментального материала в процессе трения инструмента с обрабатываемым материалом. Силы адгезии возникают как результат межмолекулярного взаи­ модействия между твердыми телами.

Известно, что металлам присущ особый вид так называемой металлической связи, обусловливаемой обобществлением валент­ ных электронов. Взаимодействие этих электронов с ионизирован­ ными атомами в узлах кристаллической решетки обеспечивает прочную связь между атомами металла. При сближении трущих­ ся поверхностей на расстояния, соизмеримые с параметрами решет­ ки, также происходит объединение валентных электронов и обра­ зование общего электронного облака, взаимодействующего с ато­ мами обеих металлических поверхностей. Это и является основой

29