Фролов ЭМ.Технология изготовления деталей машин

3.3.4. ИЗНОС ЛЕЗВИЙНОГО ИНСТРУМЕНТА

Напряженное и деформированное со­ стояние зоны стружкообразования является одним из основных физических факторов, определяющих допустимые размеры срезае­ мого слоя и скорости резания в связи с проч­ ностью и износостойкостью режущего клина инструмента.

К числу основньЕХ факторов, опреде­ ляющих допустимые скорости резания и раз­ меры среза в связи с красностойкостью и износостойкостью режущего клина инстру­ мента, относится теплота. Количество выде­ лившегося в процессе резания тепла эквива­ лентно затраченной работе.

Тепловыми явлениями следует управлять так, чтобы вьщеляющееся тепло способство­ вало деформациям в зоне стружкообразования и не снижало стойкости инструмента и точ­ ности обработки. Это можно осуществить путем изменения скорости резания, парамет­ ров среза, геометрических параметров инст­ румента, инструментального материала, сма- зочно-охлаждающей жидкости.

Температурное поле режущего клина инструмента определяет характер износа и его стойкость. Наибольшее значение имеет кон­ центрация температур в поверхностных слоях контакта. Теплота, выделяющаяся в процессе резания, изменяет состояние трущихся по­ верхностей, оказывает влияние на характер и силу трения на передней и задней поверхно­ сти режущего клина.

Важным фактором, влияющим на харак­ тер износа и стойкость режущего инструмен­ та, является наростообразование. В первом приближении (рис. 3.3.22) можно различать зоны полного застоя (зона 7), где обрабаты­ ваемый материал неподвижен, и зону относи­ тельного застоя (зона 2), где скорость пере­ мещения обрабатываемого материала изменя­ ется практически от нуля до скорости струж­ ки. Об изменении скоростей в зоне относи­ тельного застоя можно судить по искривле­ нию линий текстуры стружки. Наростом нуж­ но считать зону полного застоя. Для того, чтобы в зоне 1 исключались пластические деформации, в ее пределах должно быть такое напряженное состояние, при котором условие пластичности не выполняется, в отличие от зоны 2.

Однако зону 2 нельзя рассматривать как зону непрерывных пластических деформаций. При температурах до 600°С, пластичность обрабатываемого материала является недоста­ точной, чтобы вьщержать без разрушения те деформации, которые имеют место в зоне относительного застоя. Поэтому в этой зоне происходят периодические разрывы зерен

металла на участках Б и В, где пластические деформации достигают наибольшей величи­ ны. Зона полного и относительного застоя на этих участках разделяется трещинами и пусто­ тами. Градиент скоростей течения металла здесь имеет разрыв, появляются участки внешнего трения между стружкой и передней поверхностью нароста. Вследствие неровности поверхностей разрыва при их взаимном пере­ мещении возникают очень высокие местные контактные напряжения, которые вызывают локальные пластические деформации. Вслед­ ствие разрывов на участках Б и В стабиль­ ность пластического течения металла в зоне 2 нарушается. Металл, поступающий в верхнюю часть А этой зоны, не вытекает через участки Б и В, вследствие чего происходит наполне­ ние металла в области А. Увеличение области А проводит к перераспределению нагрузок, действующих на нарост, вызывая ее разруше­ ние.

Нарост, возникающий при резании с образованием сливной стружки, защищает наиболее слабую часть режущего клина — режущую кромку, изменяет форму передней поверхности резца, увеличивает угол резания. Это приводит к улучшению условий работы кромки. Наряду с этим обработка инструмен­ том с наростом вызывает в зоне интенсивного наростообразования значительное увеличение шероховатости обработанной поверхности и вибрации. Кроме того, в случае нестабильного наростообразования нарост может быть при­ чиной уменьшения стойкости режущего инст­ румента из-за вырывов частиц инструмен­ тального материала.

Рис. 3.3.22. Схема наростообразования при резании лезвийным инструментом

Величина, форма и устойчивость нарос­ та в наибольшей степени определяются ско­ ростью резания. При заданных физикомеханических свойствах обрабатываемого материала в условиях резания всегда имеется зона скоростей резания наибольшего наростообразования. Наряду с этим на размеры и устойчивость нароста существенное влияние оказывают толщина среза и передний угол режущего клина.

Вследствие воздействия высоких кон­ тактных нагрузок и температур инструмент уграчивает свои режущие свойства из-за из­ носа режущего клина. Время работы инстру­ мента между периодами восстановления его режущих свойств определяет период стойко­ сти инструмента. Критерием затупления явля­ ется количественное выражение допустимого износа инструмента.

Период стойкости инструмента опреде­ ляется нагрузкой режущего клина и его спо­ собностью воспринимать эти нагрузки. Нафузка, действующая на рабочие поверхности, определяется трением стружки и поверхно­ стей заготовки о переднюю и заднюю поверх­ ности режущего клина, температурой и дав­ лением, которое обусловлено процессом реза­ ния. Это ведет к износу режущего клина и вызывает сложное объемное напряженное состояние режущей кромки. Поэтому период стойкости зависит от двух тесно взаимосвя­ занных факторов — износа при трении стружки и обрабатываемой поверхности заго­ товки о переднюю и заднюю поверхности режущего клина и разрушения режущего кли­ на под действием нагрузок, возникающих в процессе резания. Эти факторы вызывают два вида износа: износ истирания и износ вы­ крашивания, существующие одновременно и сопутствующие один другому.

Под истирающим обычно понимают по­ степенно нарастающий износ по времени. Под износом выкрашивания понимают износ, неравномерный по времени его образования, обусловленный отделением относительно больших частиц инструментального материа­ ла. Соотношение между этими видами износа определяется конкретными условиями обра­ ботки (вид обработки, характеристика инст­ рументальных материалов по износоустойчи­ вости, прочности, термоцикличности и т.д.).

Износ рабочих поверхностей режущего клина инструмента, работающего при низких скоростях резания (в основном инструмент из быстрорежущей стали — резцы, сверла, фрезы и т.д.), когда температура в контактных слоях мала, можно рассматривать как один из видов механического износа. Его величина опреде­ ляется отношением контактных твердостей

инструментального материала и обрабатывае­ мого материала и интенсивностью протекания адгезии. Характеристикой инструментального материала, представляющей износоустойчи­ вость при адгезионном и абразивном износе, служит прочность и твердость контактных слоев инструмента при температурах, сопро­ вождающих процесс резания. При этом соот­ ношение между этими типами износа опреде­ ляется условиями резания (вид обработки, скорость резания, характеристика инструмен­ тального материала и т.д.).

Сущность адгезионного износа заключа­ ется в том, что обрабатываемый материал периодически в различных точках контакта под действием адгезионных сил как бы при­ варивается к инструментальному материалу при взаимном перемещении места сварки либо по поверхности контакта, либо под его поверхностью. Разрушение по поверхности контакта происходит в том случае, когда силы адгезии относительно малы, а контактирую­ щие материалы прочны. Ослабление адгези­ онных сил возможно при наличии пленок окислов химических соединений, адсорбиро­ ванных газов на поверхности контакта, а так­ же при резко отличающихся свойствах контактируемых пар. Разрушение под поверхно­ стью контакта может происходить как внутри обрабатываемого материала, так и внутри инструментального материала. В большинстве случаев эти разрушения происходят внутри обрабатываемого материала, так как его проч­ ность ниже прочности инструментального материала. Однако периодическое повторение циклов приваривания и разрушения обраба­ тываемого материала приводит к циклическо­ му нагружению поверхностных слоев инстру­ ментального материала, которое вызывает их местное усталостное разрушение, имеющее характер выкрашивания.

Поверхностные усталостные разрушения инструментального материала протекают тем более интенсивнее, чем меньшей цикличе­ ской прочностью он обладает. Так, например, при точении молибденового сплава ВМ1 твердый сплав ВК8 в диапазоне скорости ре­ зания 10...30 м/мин подвергается более ин­ тенсивному адгезионному износу, чем быст­ рорежущая сталь Р18, которая лучше сопро­ тивляется циклическим нагрузкам. При уве­ личении скорости резания возрастает темпе­ ратура, что приводит к снижению хрупкости, повышению пластичности и сопротивления контактным циклическим нагрузкам твердого сплава. В результате интенсивность адгезион­ ного изнашивания резцов из твердого сплава уменьшается.

Интенсивность изнашивания режущих инструментов, работающих при высоких ско-

ростях резания, когда температура контакт­ ных слоев высока (более 900"С; в основном это свойственно твердосплавному инструмен­ ту), определяется обычно взаимным диффузи­ онным растворением инструментального и обрабатываемого материалов. С физической точки зрения такой износ можно рассматри­ вать как один из видов химического износа, а его величина определяется скоростью взаим­ ного растворения инструментального и обра­ батываемого материала.

При химическом износе характеристи­ кой инструментального материала, опреде­ ляющей его износоустойчивость, является инертность инструментального материала по отношению к обрабатываемому материалу. Она определяется из температурных зависи­ мостей коэффициентов диффузии и диаграм­ мы состояния реагирующих пар.

Наряду с видами износа, характеризую­ щимися относительно плавным нарастанием износа во времени до достижения допустимой его величины, существуют и другие причины потери работоспособности режущего инстру­ мента. Например, если действующие напря­ жения на режущем клине превосходят предел прочности на отрыв инструментального мате­ риала, то происходит хрупкое разрущение, при котором режущая кромка скалывается; особенно это свойственно безвольфрамовым твердым сплавам, керамике, обладающих не­ достаточной прочностью, а также возможным наличием в них внутренних напряжений и трещин.

Хрупкому разрушению режущего клина способствует возникновение термических трещин, которые возникают в режущем клине в направлении, перпендикулярном режущей кромке (рис. 3.3.23, б). Наиболее это харак­ терно для прерывистого резания.

Если напряжения на режущем клине превосходят предел текучести инструменталь­ ного материала, то наступает вязкое разруше­ ние, сопровождающееся изменением формы режущего клина. Такое разрушение характер­ но для инструментов из инструментальных сталей, а также из безвольфрамовых и низко­ вольфрамовых твердых сплавов в случае вы­ соких скоростей резания с относительно большими толщинами среза (рис. 3.3.23, в).

Таким образом, в зависимости от усло­ вий обработки (вида обработки, режимов ре­ зания, инструментального материала и т.д.) существуют различные виды износа режущего клина, физическая природа которых различ­ на. При этом во многих случаях разные виды износа режущего клина, физическая природа возникновения которых различна, присутст­ вуют в процессе резания одновременно

(например, абразивный-адгезионный-окис- ный). Однако их доля в потере работоспособ­ ности режущего инструмента в зависимости от условий резания различна.

При оценке работоспособности режу­ щего инструмента наиболее распространен­ ным критерием затупления служит ширина, изношенной контактной площадки Лз по зад­ ней поверхности. Износ инструмента характе­ ризуется также размерами лунки, образую­ щейся на передней поверхности (ширина, глубина лунки, её положение относительно режущей кромки). Данные параметры износа легко измеряются и в то же время отражают состояние режущего клина с точки зрения работоспособности инструмента без учета физики износа.

В зависимости от условий резания износ режущего клина инструмента может быть:

по задней поверхности в виде площадки износа, при толщине среза менее 0,1...0,15 мм и использовании СОЖ (этот износ характерен для чистовых операций);

по передней и задней поверхностям при толщине среза 0,15...0,5 мм и средних скоро­ стях резания с использованием СОЖ (этот износ наиболее характерен для резцов, фрез, сверл, зенкеров, машинных метчиков, пла­ шек);

по передней поверхности в виде лунки, у резцов и фрез, если толщина среза превы­ шает 0,5 мм при высокой скорости резания без охлаждения.

На рис. 3.3.23 представлена схема износа лезвия, которая наиболее полно отражает возможные варианты износа режущего клина.

С целью измерения износа главная ре­ жущая кромка разбивается на четыре зоны (рис. 3.3.23, б):

зона С — это криволинейная часть ре­ жущей кромки у вершины инструмента;

зона В — оставшаяся прямолинейная часть режущей кромки, расположенная между зонами С и А;

зона У4 — 1/4 часть изношенной режу­ щей кромки длиной Ь, наиболее удаденная от вершины;

зона N — начинается за зоной непосред­ ственного контакта режущей кромки с обра­ батываемой поверхностью и распространяется вдоль режущей кромки приблизительно на 0,5...1 мм.

Измерение износа по главной задней поверхности проводится в плоскости главной режущей кромки и вектора скорости главного движения перпендикулярно к главной режу­ щей кромке. Ширина ленточки износа изме­ ряется от положения главной режущей кром­ ки до начала резания.

Типовая кривая износа задней поверх­ ности инструмента имеет форму, близкую к параболе (рис. 3.3.24). Наибольший износ протекает в начале работы инструмента (период приработки t\). По мере роста разме­ ров контактной нагрузки интенсивность из­ носа падает и наступает период нормального износа t-i. Величину износа, соответствующую точке М перелома на кривой износа в сторону его резкого возрастания, т.е. катастрофиче­ ского износа /з, называют оптимальным изно­ сом Лзопт, по которому определяют величину критерия затупления с учетом разброса его значений.

Ширина ленточки износа по задней по­ верхности Лз в зоне В (см. рис. 3.3.23, 6) явля­ ется мерой износа инструмента и обычно задается как критерий затупления максималь­ ной величиной ленточки износа Лзвшах в слу­ чае неравномерного износа (имеются глубо­ кие проточины, выкрашивания) и средней величиной ленточки износа Лзвср в случае равномерного износа.

Рис. 3.3.24. Типовая кривая износа задней поверхности лезвия

Выкрашивания небольших участков ре­ жущей кромки, а также термические трещины (чт<? особенно свойственно износоустойчивым материалам, не обладающих достаточной прочностью), учитываются через максималь­ ный износ ЛзВшах •

Пластические деформации режущего клина (см. рис. 3.3.23, в) (что особенно свой­ ственно инструментальным материалам, склонным к разупрочнению при высоких температурах), также учитываются через мак­ симальный или средний износ в зависимости от его равномерности.

Износ в виде лунки (см. рис. 3.3.23, а) является наиболее распространенным типом износа передней поверхности. Глубина лунки kj может быть мерой износа инструмента и задана как критерий затупления инструмента (в основном это характерно при работе твер­ досплавным инструментом в случае непре­ рывного резания с большими скоростями резания и толщинами среза). Положение лун­ ки относительно режущей кромки также важ­ но, так как глубокая и широкая лунка, распо­ ложенная далеко от кромки, может быть ме­ нее опасной для режущего клина, чем менее глубокая и узкая, но расположенная вблизи кромки. Расстояние kf от передней кромки лунки до режущей кромки иногда является полезным критерием, который в результате ограничения может исключить катастрофиче­ ский износ. Это является одной из причин, почему допустимая глубина лунки kj задает­ ся в зависимости от подачи.

Для некоторых случаев обработки рас­ стояние от центра лунки до режущей кромки к}^, а также ширина лунки кв могут быть ис­ пользованы в качестве дополнительной ин­ формации, так как эти параметры влияют на термодинамическую нагруженность режущего клина (в частности, это важно при выборе размеров стружколомающих канавок на пе­ редней поверхности резцов). Расстояние цен­ тра лунки /:д/ — расстояние между режущей кромкой в её первоначальном положении до начала резания и наиболее глубокой точкой лунки (измеряется в зоне В параллельно пе­ редней поверхности в направлении, перпен­ дикулярном режущей кромке). Ширина лунки кв — расстояние между режущей кромкой в её первоначальном положении до начала ре­ зания и задней стороной лунки (измеряется параллельно передней поверхности в направ­ лении, перпендикулярном режущей кромке).

Так как расстояние км зависит не только от подачи (толщины среза), но и от инстру­ ментального и обрабатываемого материалов, то иногда задаются отношением лунки К = кт/км (приблизительно К— 0,1).

Износ Лз^ в зоне Л носит ярко выражен­ ный стохастический характер и в зависимости от конкретных условий резания его интен­ сивность может быть обусловлена нестабиль­ ностью наростообразования в области контак­ та режущей кромки с обрабатываемой по­ верхностью, наклепом обработанной поверх­

ности при многопроходной обработке и т.п. Аналогичный характер с точки зрения ста­ бильности имеет комбинированный износ Лзд^ передней и задней поверхностей в зоне УУ, обусловленный воздействием на режущий клин сходящей стружки (особенно в случае большой толщины среза). В соответствии с этим износ в зоне А или А^ не может служить в качестве критерия затупления инструмента. Однако в некоторых случаях обработки, когда интенсивность износа в зоне Л или Л'^ очень высокая (что может привести к катастрофиче­ скому износу), данные типы износа могут быть использованы в качестве критерия зату­ пления инструмента.

Если при определенном критерии затуп­ ления скорости резания соответствует стойкостям Ть Т2, Тз-.., то

или v^C^lV ,

где С — коэффициент, зависящий от обраба­ тываемого материала, подачи, глубины реза­ ния, геометрических параметров режущего клина, инструментального материала, СОЖ и т.п.; т — показатель относительной стойко­ сти, зависящий от тех же факторов, что и характер износа инструмента.

Приведенные зависимости Т = f{v) справедливы только для относительно узкого диапазона скоростей резания. Для широкого диапазона режимов резания (скорости, подачи) эти зависимости выражаются рядами Фурье. Это обусловлено изменениями про­ цесса стружкообразования (в частности, зави­ симость среднего коэффициента трения стружки с передней поверхностью от скоро­ сти резания не является монотонной), изме­ нением физической природы износа и их перераспределением доминирующей роли различных видов износа в процессе затупле­ ния инструмента.

Для различных видов режущего инстру­ мента (резцы, фрезы, сверла, метчики и т.д.) установлены эмпирические зависимости их стойкости от условий обработки, которые отражены в общемашиностроительных норма­ тивах режимов резания материалов.

На современном этапе указанные зави­ симости, полученные эмпирическим путем, являются наиболее достоверными. Однако метод их получения является очень трудоем­ ким и дорогостоящим. Поэтому в ряде случа­ ев (особенно при сертификации режущего инструмента) используются ускоренные эм­ пирические методы. В частности, на основе интенсивности износа, установленной за не-

С целью придания шлифовальному кругу правильной геометрической формы, восстановления режущих свойств, получения требуемых параметров шероховатости и точ­ ности обработанной поверхности производят периодически правку круга. Наиболее часто абразивные круги правят алмазными каран­ дашами, которые представляют собой цилин­ дрические оправки с вмонтированными вставками с алмазными зернами. Правку ре­ жущей поверхности алмазных и эльборовых кругов осуществляют обтачиванием абразив­ ным бруском, шлифованием абразивными инструментами, электроэрозионными и элек­ трохимическими методами. При правке обта­ чиванием применяют абразивные бруски из карбида кремния зеленого на керамической связке. Круг вращается с рабочей скоростью, а брусок совершает продольную подачу, рав­ ную, 1,0...2,0 м/мин и поперечную подачу, равную 0,01...0,02 мм/дв.ход стола. Правка шлифованием кругом из карбида кремния зеленого используется для алмазных и эльбо­ ровых кругов на металлической и бакелитовой связках. Алмазный или эльборовый круг вра­ щается с рабочей скоростью, а правящий круг с окружной скоростью V = 12... 16 м/с.

Продольная подача колеблется в преде­ лах 1,0...1,5 м/мин, а поперечная — 0,05...

0,08 мм/дв.ход.

Электроэрозионный метод применяют для правки алмазных и эльборовых кругов на металлической связке. Правящим инструмен­ том служит чугунный, графитовый или латун­ ный фасонный диск или стержень, являю­ щийся катодом. Анодом является алмазный или эльборовый круг. В процессе правки в рабочую зону подается электролит. Правка проводится при напряжении 12...30 В, силе тока 8... 12 А, рабочей скорости алмазного кру­

га, скорости дискового электрода-инструмента г; = 20 м/с. Эльборовые круги на органиче­ ской и керамической связках правят алмазами в оправках, алмазными иглами и алмазными карандашами. Это наиболее простой метод, но требующий большого расхода алмаза.

Режущие инструменты, такие как резцы, фрезы, сверла и другие, затачиваются по пло­ ским поверхностям. Плоские поверхности на режущей части могут занимать разнообразные положения. При затачивании инструментов удобно задавать положение затачиваемой по­ верхности двумя прямыми, расположенными в двух взаимоперпендикулярных плоскостях. Одна из них принимается за продольное, а вторая — за поперечное сечение. Для резцов, торцовых фрез и других инструментов про­ дольные и поперечные углы определяются по табл. 3.3.2.

При затачивании необходимо совместить затачиваемую плоскую поверхность А с рабо­ чей плоскостью шлифовального круга. Углы установки трехповоротного приспособления (рис. 3.3.25, а) при затачивании плоской по­ верхности, положение которой определяется углами 8пр и 8п, рассчитываются по формулам:

cos9^(-cosO^+ctgEnSin0^)+ctgEnpSin0^=O;

cos0^(-ctg8n cos9^ - sinO^) + sin0^|ctgenp cos0^ - -sin0^(-cos05 +ctgEn sin0^)l=O.

Эта система двух уравнений с тремя неиз­ вестными неопределенна, то есть существует множество сочетаний углов 0^,0^ и 0 . ,

при которых можно заточить плоскую по­ верхность А. Варианты частных установок приведены в табл. 3.3.3.