Физическая природа изнашивания

В процессе резания контактные поверхности инструмента подвергаются действию чрезвычайно высоких напряжений и температур, что в сочетании с высокими скоростями скольжения приводит к затуплению инструмента и образованию очагов износа.

Процесс изнашивания инструмента является нормальным рабочим процессом и протекает при любых условиях резания. Задача состоит в том, чтобы условия резания обеспечивали минимальную (или экономически оправданную) интенсивность этого процесса. Интенсивность изнашивания зависит от большого числа факторов: свойств инструментального и обрабатываемого материалов, режимов резания, геометрических параметров инструмента, применения смазочно-охлаждающих жидкостей.

В зависимости от конкретных условий обработки физическая природа изнашивания контактных поверхностей может определяться либо механическим истиранием, либо физико-химическими процессами, тесно связанными с температурой. При резании металлов имеют место абразивный, адгезионный, диффузионный, усталостный износы.

Абразивно-механический износ является результатом царапания-среза-ния контактных поверхностей инструмента твердыми структурными составляющими обрабатываемого материала. Такими частицами могут быть зерна карбидов, цементит, силикаты и др. Большое абразивное действие проявляют также литейная корка и окалина на заготовках.

Как правило, чем выше отношение значений твердости инструментального и обрабатываемого материалов, тем ниже интенсивность абразивного износа. Однако с увеличением содержания карбидообразующих легирующих элементов и интерметаллических соединений истирающая способность сталей и сплавов увеличивается.

Абразивный износ имеет место даже при очень низких температурах. С увеличением температуры его интенсивность увеличивается, что особенно характерно для многофазных инструментальных материалов с металлической связкой. В результате ослабления связки частицы карбидов твердых сплавов вырываются сходящей стружкой, царапая на своем пути поверхность контакта. Аналогичный эффект производят и срывающиеся частицы нароста, особенно при работе инструментами из быстрорежущей стали.

Адгезионный (молекулярный) износ. Контактирующие поверхности стружки и инструмента не являются абсолютно гладкими, поэтому реальный контакт имеет место по отдельным микронеровностям. Очень высокие контактные давления приводят к разрушению защитных пленок и холодному свариванию (прилипанию, молекулярному сцеплению) этих микронеровностей, т.е. к образованию "мостиков адгезии". Движение стружки приводит к образованию в мостиках сдвигающих напряжений и к их разрушению.

В зависимости от прочности обрабатываемого и инструментального материалов это разрушение может происходить либо по мостику, либо по обрабатываемому материалу, либо по материалу инструмента (ослабленному в результате циклических образований и разрушений мостиков в одной и той же точке). В последнем случае говорят об усталостном износе.

Для возникновения адгезии необходимы определенные условия, характеризующиеся достаточно высокой температурой (около 40% от температуры плавления обрабатываемого материала) и большим давлением. Эти условия соответствуют работе с большими сечениями среза на сравнительно малых скоростях резания.

Диффузионный износ. С увеличением температуры резания до 900-1000°С происходит увеличение активности атомов элементов обрабатываемого и инструментального материалов. Вступление в контакт свежих участков вновь образованных поверхностей в условиях высоких температур и контактных давлений создает условия для взаимной диффузии элементов через площадку контакта. Легирующие элементы (углерод, вольфрам, титан, кобальт) диффундируют в обрабатываемый материал, а твердость контактной поверхности инструмента уменьшается. Это создает благоприятные условия для интенсификации адгезии и абразивного истирания.

При высоких температурах резания нагретые участки рабочих поверхностей инструмента контактируют с воздухом или СОЖ. В этих условиях некоторые элементы инструментального материала могут вступать в химические реакции с кислородом или компонентами СОЖ, вызывая тем самым химический (окислительный) износ.