книги из ГПНТБ / Вульф А.М. Резание металлов

стый перлит, истирающая способность которого тем меньше, чем меньше размеры зерен цементита. Пластинчатый перлит значи­ тельно интенсивнее изнашивает режущий инструмент, так как он обладает большой абразивной способностью в силу пилооб­ разного характера трущейся поверхности с острыми карбидными кромками. Аустенитные стали с незначительным содержанием карбидов имеют слабую истирающую способность. Трудно обра­ батываются стали мартенситного класса с высоким содержанием легирующих составляющих. Режущий инструмент особенно ин­ тенсивно изнашивается элементами (V, Mo; W, Ti), образующими твердые карбиды.

При обработке чугуна положительное значение имеет графит; он играет роль внутренней смазки, уменьшая тенденции к обра­ зованию нароста. Но наличие твердых фосфористых соединений и особенно цементита весьма сильно увеличивает истирающую способность чугуна.

Ниже приводятся значения твердостей различных компонентов стали, чугуна и сплавов, дающих представление об их истираю­ щей способности (табл. 12). Эти данные косвенно показывают также способность различных инструментальных материалов сопротивляться истирающему воздействию стружки. Надо пола­ гать, что износоустойчивость инструмента будет тем больше, чем больше его твердость в сравнении с твердостью обрабатываемого материала при определенных температурных условиях в процессе резания.

Таблица 12

Твердость компонентов стали, чугуна и сплавов

170

Адгезионный износ. Контактные поверхности стружки и пе­ редней грани резца не являются идеально гладкими, поэтому со­ прикосновение между ними происходит лишь по выступающим участкам. Это вызывает огромные удельные нагрузки, разрушаю­ щие защитные окисные пленки, в результате чего происходит холодное сваривание металла стружки и инструмента в местах истинного контакта. Это сваривание более вероятно при относи­ тельно высокой температуре, способствующей местной пластиче­ ской деформации и разрушению защитной пленки. При непре­ рывном движении стружки по резцу в местах контакта возникают напряжения среза и в результате на передней поверхности инстру­ мента вырываются мельчайшие частицы металла. Возможность отрыва мягким обрабатываемым материалом частиц более твер­ дого инструмента объясняют неоднородностью инструментального материала, имеющего на своей поверхности размягченные микро­ участки [58], и изменением соотношения твердостей обрабатывае­ мого и инструментального материалов в процессе резания при различных температурах резания.

Полагают, что подобный адгезионный износ происходит при обработке не только пластичных металлов, но и хрупких, например закаленной стали и чугуна. Иначе трудно объяснить износ красностойкого твердосплавного инструмента только абразивным истиранием, поскольку закаленная сталь и цементит чугуна усту­ пают по твердости карбидам вольфрама, титана или тантала, составляющим металлокерамические твердые сплавы.

Срез в зоне контакта двух металлических поверхностей может Происходить различным образом. Если прочность сваривания меньше прочности самих металлов, то срез осуществляется по поверхности самого соединения; при этом количество металла, вырванного с обеих поверхностей, т. е. износ, незначительно. Когда соединение прочнее обоих металлов, срез, как правило, происходит в среде одного из металлов, сравнительно менее проч­ ного. Инструментальные материалы обычно тверже обрабатывае­ мого материала и, очевидно, срез должен располагаться в толще обрабатываемого материала. Однако при этом возможны выхваты и частиц инструментального материала.

При теоретическом расчете адгезионного износа, т. е.. коли­ чества вырванного металла на пройденном пути L, принимают ориентировочно, что толщина вырванных частиц пропорциональна контактному напряжению и обратно пропорциональна твердости инструмента. При этом считают, что контактное напряжение про­ порционально твердости обрабатываемого материала в контактных слоях. Тогда закономерность износа можно было бы приближенно

171

На рис. 95 представлен в виде графика пример обработки хромоникелевой молибденовой стали. твердосплавным резцом 158]. Кривая / показывает увеличение отношения твердости инстру­ мента и обрабатываемой детали на поверхности контакта с повы­ шением температуры. Еще интенсивнее при этом возрастает стой­ кость резца (путь до затупления L) — кривая 2. Однако при тем-

Температура на задней поверхности резца, "С

Рис. 95. Соотношение твердостей инструмента и обрабатываемого материала в зависимости от температуры в процессе резания:

Hi — твердость инструмента; Н2 — твердость поверхности резания; L —

путь, пройденный инструментом до затупления

950° С, при цементации железа карбидом титана с температуры 1050° С. Поэтому можно полагать, что диффузионный износ твер­ досплавного инструмента может происходить лишь при обработке стали с высокими скоростями резания, когда температура кон­ такта стружки или поверхности резания и резца достигает 900° С и выше для однокарбидных и 1000° С для двухкарбидных твердых сплавов. При этом любопытно отметить, что по данным К. П. Бу­ нина [55], подвижность атомов углерода в 70 000 раз выше, чем атомов железа. Показано, что диффузионные перемещения угле­ рода затормаживаются сжимающими напряжениями.

Учитывая химическую инертность минералокерамики (А12 03 ), можно полагать, что минералокерамический инструмент не под­ вержен диффузионному износу и, следовательно, способен ра­ ботать при весьма больших скоростях резания, в условиях высо­ кой температуры резания.

173

40.ПРОЦЕСС ЗАТУПЛЕНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Износ режущего инструмента в процессе резания протекает весьма разнообразно в связи с различными условиями его работы. Эти условия могут резко изменяться в зависимости от обрабаты­ ваемого материала, геометрии и материала инструмента, скорости резания, величины среза, смазочно-охлаждающей среды, жестко­ сти системы СПИД. Практически можно наблюдать следующие процессы износа:

1) изнашивается преимущественно передняя поверхность и незначительно задняя поверхность резца;

2)истирается сильно задняя и слабо передняя поверхность;

3)одновременно изнашиваются передняя и задняя поверх­

ности;

4)закругляется режущая кромка.

Преимущественный износ передней поверхности происходит при обработке пластичных сталей с устойчивым наростом, защи­ щающим 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 перед­ ними углами.

Значителен износ задней поверхности с увеличением положи­

в частности чугуна, а также вязких аустенитных сталей и сплавов, обладающих большим упругим последействием. В этом случае резание происходит с повышенной температурой вследствие сла­ бой теплопроводности обоих металлов; притом неровная поверх­ ность 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.

При чистовой обработке износо- и красностойким инструмен­ том 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 по­ следовательности. Сначала происходит постепенное закругление режущей кромки, невидимое простым глазом, но заметное через микроскоп. На передней поверхности появляются следы будущей

174

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 на­ правлении движения стружки (рис. 96, а). 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 дугооб­ разных элементов. Режущая кромка изнашивается неравномерно:

Рис. 98. Изменение ширины фаски и лунки износа на перед­ ней поверхности резца с различными передними углами

в первую очередь и наиболее интенсивно вырабатываются участки скоплений кобальтовой фазы и мелких разобщенных зерен WC. Через некоторое время режущая кромка частично выкрашивается (рис. 96, б), и стружка в форме бочкообразных элементов стреми­ тельно вылетает вверх от резца. Это признаки полного затупления резца. На обработанной поверхности замечаются прилипшие мелкие частицы. На рис. 97 показаны стружки, соответствующие различным этапам износа резца.

При скоростном точении стали твердосплавным резцом с по­ ложительным передним углом у = + 5 ° длина лунки с растет в обе стороны, в результате чего ширина фаски / уменьшается (рис. 98, кривые сг и Между тем у. резца с передним углом у = —35° фаска оставалась неизменной, т. е. лунка на передней поверхности резца удлинялась лишь в сторону движения стружки (кривые с 2 и / 2 ) . Это явление можно объяснить тем, что в процессе резания с увеличением угла резания наряду с повышением тем­ пературы напряженное состояние зоны резания наиболее при­ ближается к объемному сжатию и, следовательно, пластичность металла в зоне резания увеличивается. Вместе с этим, как из-

176

вестно, уменьшается угол сдвига, в связи с чем изменяется на­ правление стружки.

Рассмотренный процесс сопровождается как повышением на­ грузки, 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 бф , стружка более плавно отходит (рис. 99). В этих усло­ виях облегчается образование устойчивого нароста, защищаю­

Надо заметить, что удары, вибрации, колебания нагрузок по различным причинам сильно ускоряют износ инструмента, осо­ бенно хрупкого, например твердосплавного и минералокерамического.

Перерывы в работе и связанное с этим частое врезание резца в обрабатываемую деталь также усиливают износ хрупкого ин­ струмента и тем интенсивнее, чем чаще происходит врезание (рис. 101). Для примера показаны кривые износа минералокерами-

что отрицательный эффект работы с перерывами вызывается не только механическими ударами при врезании, но и температурой режущей кромки, которая значительно ниже при работе с пере­ рывами. В последнем случае хрупкая режущая кромка подвер­ гается более частым тепловым ударам, вызывающим усиленный износ режущей кромки.

Следовательно, можно сделать вывод о целесообразности при­ менения твердых, но хрупких инструментов, например эльборовых,

177

керамических резцов при чистовом точении на больших перехо­ дах, 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 в этом случае на поверхности инструмента создаются адсор­ бированные пленки окислов, в результате чего уменьшается трение

Часто износ режущего инструмента происходит неравномерно вдоль режу­ щей кромки. Наблюдается усиленный износ у вер­

шины резца, а также на участке контакта режущей кромки с об­ рабатываемой 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 поверх­ ности вследствие предшествующей обработки или наличием твер­ дой корки; ширина зоны усиленного износа может характеризо­ вать в известной мере толщину наклепанного слоя.

Большой интерес представляют явления, связанные с пласти­ ческой деформацией самого инструмента, наблюдающиеся 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.

178

На практике большое значение имеет установление целесооб­ разного критерия затупления режущего инструмента. Этот кри­ терий должен быть определен с учетом требуемой точности и чи­ стоты обработанной поверхности, рода инструмента, его геометрии

и материала. Было бы неправильно доводить затупление инстру­ мента до полного разрушения режущих кромок. Это не оправды­ вается ни экономическими, ни эксплуатационными соображе­ ниями. Устанавливается определенный условный критерий за­ тупления, по достижении которого инструмент перетачивается.

41. КРИТЕРИЙ ЗАТУПЛЕНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Критерий затупления удобно устанавливать для режущего элемента, истирание которого связано с технологическими фак­ торами, носит закономерный характер и практически доступно измерению. Этим условиям соответствует износ инструмента по задней поверхности. Например, графики износа быстрорежущих резцов (рис. 102) при обработке стали 45 (t — 2 мм, s = 0,1 мм/об), показывают резкое увеличение фаски износа, как только последняя достигает величины 1г3 = 0,5-^-0,8 мм. Следовательно, эта ве­ личина фаски износа и должна быть принята для данного случая в качестве критерия затупления, так как при дальнейшей работе наступит катастрофический износ со всеми нежелательными по­ следствиями.

На рис. 102 показано, что точки перегиба кривых располагаются тем ниже, чем больше скорость резания и, следовательно, быстрее начинается форсированный износ. Это явление, вполне закономер­ ное, вызвано возрастанием температуры резца с увеличением скорости резания. Отсюда вывод: при грубой обработке с крупной стружкой и малой скоростью резания допустимый износ задней грани может быть повышен. Так, по данным Н И Б Т Н [117] для

179