5.5. Влияние условий резания на стойкость инструмента

Кроме скорости резания на износ и стойкость режущих инструментов в той или иной степени влияют и все остальные условия резания.

Влияние глубины резания и подачи на стойкость проявляется, в основном, через изменение температурных условий на режущей кромке, связанное с изменением сечения среза. При увеличении глубины резания (ширины среза) пропорционально совершаемой работе и количеству выделившегося тепла увеличивается активная длина режущей кромки, что улучшает условия теплоотвода.

При увеличении подачи (толщины среза) условия теплоотвода улучшаются в меньшей степени. И на контактной площадке наблюдается более высокая температура резания, вызывающая структурные изменения, снижение твердости инструментального материала и увеличение интенсивности его износа. Поэтому при увеличении подачи стойкость снижается примерно в 2 раза быстрее, чем при равновеликом увеличении глубины резания.

Таким образом, скорость резания, допускаемая режущими свойствами инструмента, стойкость, глубина резания и подача связаны между собой соотношением:

и ,

где С_V – постоянный коэффициент, характеризующий условия резания; – общий поправочный коэффициент на измененные условия резания по отношению к тем, для которых дается значение коэффициентаС_V.

Из вышесказанного следует, что для получения максимально возможной при заданном периоде стойкости инструмента скорости резания при определенной площади сечения срезаемого слоя необходимо стремиться работать с возможно большим отношением и.

Влияние геометрии инструмента на его стойкость проявляется через изменение совершаемой работы и условий теплоотвода.

Чем больше передний угол γ, тем легче условия стружкообразования, меньше силы, работа резания и количество выделенного тепла. Однако с увеличением переднего угла ухудшаются условия теплоотвода, снижается прочность режущей части. Поэтому оптимальное значение переднего угла выбирается для условий обработки конкретного материала. С увеличением предела прочности и твердости обрабатываемого материала и уменьшением прочности инструментального материала значение оптимального переднего угла уменьшается.

По мере увеличения заднего угла α уменьшается ширина площадки контакта и сила трения на задней поверхности, что уменьшает изнашивание инструмента. При дальнейшем увеличении заднего угла уменьшается прочность режущего клина и ухудшается теплоотвод.

Главный угол в плане φ влияет на стойкость очень активно. При увеличении угла φ отношение ширины срезаемого слоя к его толщине непрерывно уменьшается, что ухудшает условия теплоотвода, температура резания растет и стойкость инструмента снижается.

Стойкость инструмента и допустимая скорость резания в большой степени зависят от свойств обрабатываемого и инструментального материалов. Свойства инструментальных материалов и комплекс показателей обрабатываемости резанием конструкционных материалов рассматриваются в соответствующих разделах.

5.6. Пластическая и хрупкая прочность

Причиной выхода из строя режущих инструментов наряду с их износом может стать внезапная поломка или удаление большой части режущей кромки в результате скола или пластической деформации. Разрушение режущих инструментов бывает хрупкое и пластическое. Характер разрушения определяется свойствами инструментального материала и действующей на режущую кромку нагрузкой.

Способность инструментального материала сопротивляться пластической деформации называется пластической прочностью. Пластическое разрушение характеризуется течением тонких слоев инструментального материала преимущественно вдоль задней поверхности инструмента (рис. 38).

Под действием высокой температуры твердость и прочность инструментального материала в окрестности режущей кромки уменьшаются. Под действием больших нормальных сил происходит опускание вершины, а размягченный материал выпучивается со стороны задней поверхности (поверхности 1-3), поскольку лежащие ниже слои остаются сравнительно холодными и сохраняют исходную прочность.

Рис. 38. Пластическое разрушение режущего инструмента

Опускание вершины приводит к уменьшению фактического переднего угла, т.е. к дальнейшему увеличению силы резания. Выпучивание со стороны задней поверхности уменьшает действительный задний угол и приводит к увеличению площади контакта с обрабатываемой поверхностью и увеличению температуры. В связи с этим пластическое деформирование режущей кромки сопровождается катастрофически быстрым износом по задней поверхности.

Пластическая прочность характеризуется коэффициентом запаса прочности n_m, зависящим от температуры в зоне резания:

,

где Н_и – твердость инструментального материала в контактных слоях задней поверхности; Н_д – твердость обрабатываемого материала в зоне условной плоскости сдвига.

На практике пластическое деформирование чаще всего наблюдается у инструментов из быстрорежущих сталей и твердых сплавов, работающих с большими сечениями среза на повышенных скоростях.

Способность инструментального материала сопротивляться хрупкому разрушению, т.е. образованию сколов, выкрашиваний и т.п. называется хрупкой прочностью. При хрупком разрушении инструмента пластическая деформация мала по сравнению с упругой. Силы, вызывающие хрупкое разрушение, могут иметь механическую или термическую природу.

В зависимости от уровня нагрузки, ее характера и температуры в опасных местах возможно разрушение инструмента в связи с однократной перегрузкой, усталостью, трещинообразованием и т.п. В зависимости от размеров разрушений на режущей кромке различают: поломку – когда размер отдельной части существенно превышает длину контакта инструмента с деталью и стружкой; сколы – с размерами, близкими к длине контакта; выкрашивания – откалывание мелких участков режущей кромки.

Поломка инструмента чаще всего является результатом действия чрезмерно большой силы резания, вызывающей в инструментальном материале растягивающие напряжения, превышающие предел его прочности. При непрерывном резании этот вид разрушения происходит обычно при больших значениях подачи и низких скоростях резания. В случае использования напайного инструмента поломке способствуют остаточные напряжения, возникающие в результате пайки и заточки. Механически закрепляемые режущие пластины из хрупких твердых сплавов и режущей керамики могут ломаться в результате неправильно выбранной схемы их закрепления.

Сколы на режущей кромке появляются, как правило, в условиях прерывистого резания, т.е. в условиях строгания, фрезерования, а также при токарной обработке мелких деталей с высокими скоростями резания. Процесс прерывистого резания характеризуется тремя специфическими чертами: геометрическими условиями входа инструмента в заготовку, условиями его выхода из заготовки, а также циклическим изменением силовой и тепловой нагрузок.

При входе в заготовку инструмент испытывает удар, т.е. быстрое нарастание силы резания, сопровождаемое ростом напряжений в режущем клине. Тем не менее, многие исследователи считают, что сколы режущей кромки при входе происходят не в связи с броском силы резания, а в связи со случайным защемлением стружки между передней поверхностью инструмента и заготовкой. Для исключения возможности появления сколов при врезании следует обеспечить такие геометрические условия входа, при которых точки начального контакта с заготовкой располагаются по возможности дальше от режущей кромки.

Более опасным с точки зрения разрушения инструмента является момент его выхода из заготовки. При этом нагрузка на режущую кромку резко возрастает. Циклическое повторение этого процесса в течение определенного времени работы инструмента вызывает зарождение в режущем клине усталостных микротрещин, направленных параллельно режущей кромке.

За время прохождения инструмента по металлу происходит его нагрев теплом резания. Температурный градиент в сторону элементов узла крепления режущей пластины и корпуса является причиной возникновения термических напряжений. Циклическое изменение величины этих напряжений за период резания и движения по воздуху может вызвать зарождение микротрещин, направленных перпендикулярно режущей кромке.

Под действием механической и тепловой нагрузок продольные и поперечные трещины развиваются и пересекаются друг с другом. Так происходит ослабление режущей кромки, следствием которого являются сколы и выкрашивания.

Выкрашивания режущей кромки могут появляться также при встрече с твердыми включениями в обрабатываемом материале, в результате разрушения нароста, а также как следствие адгезионных контактных процессов. Чем меньше шероховатость контактных поверхностей, тем меньше склонность к выкрашиванию.