ТЕХНИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Износ режущих инструментов

1. Общие положения

Режущий инструмент в процессе резания воздействует на обрабатываемый материал и вызывает образование стружки и формирование новой поверхности, однако сам при этом подвергается воздействию со стороны обрабатываемого материала и интенсивно изнашивается. Режущие инструменты работают в чрезвычайно тяжелых условиях действия громадных давлений на поверхностях контакта и высокой температуры, в условиях трения чистых, вновь образованных ювенильных поверхностей. По этим причинам интенсивность изнашивания режущих инструментов в тысячи и десятки тысяч раз превосходит интенсивность изнашивания трущихся деталей машин. Так, согласно результатам проведенных в Грузинском Политехническом Институте исследований износ трущихся поверхностей деталей машин, например шеек коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, до предельно допустимой величины происходит после пути трения метров, а износ режущих инструментов до установленной нормативной величины износа, наблюдается уже после пути трения всего лишь метров. Путь трения при резании легко определяется умножением скорости резания (м/мин) на величину стойкости (мин). Так, например, при скорости резания 100 м/мин и нормативной стойкости 30 мин, путь, пройденный режущим инструментом по поверхности резания, составит:

что подтверждает сказанное выше сравнение интенсивности изнашивания трущихся деталей машин и режущих инструментов.

В результате изнашивания режущее лезвие инструмента теряет свою первоначальную форму и, как следствие, режущую способность. Для восстановления режущей способности инструмента производится затачивание его рабочих поверхностей. В процессе затачивания инструмента с его рабочей части срезаются довольно большие слои дорогостоящего инструментального материала. Кроме того, на смену затупившегося инструмента затрачивается время, которое увеличивает продолжительность операции механической обработки, а следовательно и ее стоимость; срезаемый при затачивании абразивным инструментом дорогостоящий инструментальный материал переводится в шлам и безвозвратно теряется. В целом все это существенно удорожает механическую обработку и ограничивает ее эффективность. Поэтому, задача уменьшения интенсивности изнашивания режущих инструментов и увеличения срока его службы была и остается одной из главных задач металлообработки.

2. Характер износа режущих инструментов

Характер износа режущего инструмента, то есть распределение его по рабочим поверхностям инструмента, зависит от многих конкретных условий, в которых производится резание. Износ режущего инструмента выражается в появлении лунки на передней поверхности, площадок износа на главной и вспомогательной задних поверхностях и в уменьшении вылета вершины резца или режущего лезвия иного инструмента.

Износ режущего инструмента только по задней поверхности наблюдается при обработке хрупких материалов, при резании которых образуется стружка надлома, не представляющая собой сплошного прочного тела. Износ по задней поверхности является также превалирующим в случае резания с малыми толщинами среза, при малых значениях задних углов и при обработке сталей и сплавов, обладающих ярко выраженным упругим последствием и сильным обработочным упрочнением.

Износ режущего инструмента только по передней поверхности происходит в случае обработки вязких металлов с большими сечениями среза, когда образуется устойчивый нарост, исключающий контакт задней поверхности с обрабатываемым материалом. В большинстве же случаев практики резания металлов инструмент изнашивается как по передней, так и по обеим задним поверхностям (рис. 2 и рис. 3).

Изнашивание передней поверхности происходит, как правило, на некотором удалении от главной режущей кромки. Образующаяся лунка с течением времени работы резца углубляется и незначительно расширяется в сторону от режущей кромки. Износ инструмента полностью характеризуется указанными ниже параметрами.

Ширина фаски на задней поверхности h_з, исключая период начального изнашивания, растет пропорционально времени резания. Ширина лунки В изменяется очень мало, а ширина полки f_n на передней поверхности уменьшается. Установлено, что работоспособность режущего инструмента в значительной мере определяется наличием полки на его передней поверхности. Разрушение ее приводит к потере режущей способности инструмента и его катастрофическому разрушению – посадке. На рис. 4 показаны наиболее характерные зависимости величины износа резца из быстрорежущей стали от времени резания при точении стали 40Х

Критериями затупления инструмента и необходимости его переточки наряду с указанными также могут быть: ухудшение качества обработанной поверхности, образовании фаски износа на задней поверхности инструмента, появление на ней светлых полос, вибрации, увеличение потребляемой мощности и другие.

Обычно за критерий затупления принимается величина (ширина) площадки износа на задней поверхности режущего инструмента как наиболее легко обнаруживаемая и измеряемая

При выполнении различных исследований или оценке эффективности какого-либо технического мероприятия износ режущего инструмента может оцениваться в относительных единицах величиной относительного износа. Относительный износ выражается величиной износа по любому из перечисленных выше критериев, отнесенной к показателю выполненного объема работы: пройденному при заданном режиме пути резания, площади обработанной поверхности, объему или весу срезанного материала. Наиболее часто относительный износ выражают отношением величины износа по задней поверхности () к величине пройденного (L) пути резания.

Время работы режущего инструмента до затупления по выбранному и принятому критерию называется стойкостью, или периодом стойкости, обозначающимися прописной буквой Т латинского алфавита.

2. Механизм изнашивания режущего инструмента

Рабочие поверхности режущего инструмента изнашиваются как от механического воздействия на него обрабатываемого материала, так и в результате молекулярно-термических процессов происходящих в зоне резания на поверхностях контакта инструмента с обрабатываемым материалом. Инструмент может подвергаться различным по своей природе,видам изнашивания: абразивному, адгезионному, химическому, диффузионному, электроэрозионному и другим. В процессе резания все эти виды изнашивания могут иметь место, но в зависимости от конкретных условий один из них является доминирующим, определяющим интенсивность изнашивания и стойкость режущего инструмента.

Абразивное изнашивание

Происходит по причине царапания поверхностей инструмента твердыми включениями обрабатываемого материала. Твердые включения при этом как микрорезцы скоблят поверхность инструмента.

С—

Частицы инструментального материала, вырываемые стружкой или частицы периодически разрушающегося нароста, обладающего твердостью, близкой к твердости инструментального материала, проволакиваясь по контактным поверхностям, уносят некоторый объем инструментального материала и оставляют следы в виде царапин. При резании твердым сплавом абразивный износ происходит путем выскабливания мягкой кобальтовой связки и механического вырывания твердых зерен карбидов.

При резании в химически активных средах возможен абразивно-химический износ в результате интенсивного образования, соскабливания и уноса образующихся мягких пленок соединений элементов среды с материалом инструмента.

Адгезионное изнашивание

Совершается путем отрыва силами адгезии мельчайших частиц инструментального материала. Поскольку при резании на поверхностях контакта действуют колоссальные давления и в контакт приходят вновь образованные ювенильные поверхности, свободные от каких-либо пленок, создаются благоприятные условия для интенсивной адгезии контактирующих материалов. При сближении их на расстояние примерно 100 ангстрем проявляются силы молекулярного взаимодействия и образуются так называемые «мостики холодного сваривания». Разрушение может проходить как в объеме инструментального материала, так и по объему менее прочного обрабатываемого материала. В этом случае образовавшийся на поверхности инструмента налип вызывает осложнение перемещения стружки, дополнительное ее деформирование и локальное повышение температуры, которое приводит к ослаблению сил металлической связи инструментального материала.

Приближенно закономерность адгезионного изнашивания выражается зависимостью:

Где - твердость инструментального материала; - Твердость обратываемого материала; L- путь, пройденный инструментом до полного затупления в течении всего периода стойкости.

Диффузионное изнашивание

При резании на высоких скоростях, когда в зоне резания развивается температура порядка 1000, обрабатываемый материал сильно размягчается, а соотношение твердостей и становится очень большим, износ режущего инструмента, однако, не только не уменьшается, но еще больше возрастает. Дело здесь в том, что при высокой температуре становится ощутимым процесс взаимного диффузионного растворения инструментального и обрабатываемого материалов. Известно, что при комнатной температуре процесс диффузии идет неощутимо медленно, но при температурах, близких к температурам плавления, скорость процесса диффузии возрастает в миллионы раз. Поскольку при резании время контакта обрабатываемого материала с инструментальным исчисляется сотыми и тысячными долями секунды, градиент концентрации постоянно велик и диффузионный износ протекает весьма интенсивно.

Количество вещества одного компонента, выраженное в молях, продиффундировавшее в другой компонент, выражается уравнением:

где: Д- коэффициент диффузии;

М – количество вещества;

dC/dx- градиент концентрации;

dB- площадь, через которую идет диффузия;

d- время диффузии.

где:    А — предэкспоненциальный множитель, формально равный коэффициенту диффузии при температуре, равной бесконечности;

Q — энергия разрыхления, необходимая для ослабления связей между атомами кристаллической решетки до возможности их миграции;

R — газовая постоянная;

T- абсолютная температура.

Интенсивность диффузионного изнашивания может быть выражена толщиной диффузионного слоя, который зависит от времени и коэффициента диффузии. Зависимость эта подчиняется закону параболы:

где: y- толщина слоя диффузионной пленки; — время диффузии.

В результате диффузии в поверхностных слоях твердого сплава образуется железо-вольфрамовый карбид , пластичная кобальтовая связка превращается в хрупкую фазу, представляющую собой двойной карбид . Охрупчивание связки твердого сплава приводит к тому, что в процессе резания наряду с диффузионным растворением происходит хрупкое разрушение материла связки и унос целых блоков зерен твердого сплава. В двухкарбидных сплавах карбиды титана, растворяясь медленнее, образуют выступы и впадины, которые заполняются материалом стружки. Время диффузии в этих условиях увеличивается, и в результате резкого уменьшения градиента концентрации, диффузия и износ уменьшаются.

Электроэрозионное изнашивание. Происходит в результате действия электрического тока, образующегося под влиянием термоэлектродвижущей силы (ТЭДС). В связи с тем, что инструмент и обрабатываемый материал контактируют в отдельных точках с разной температурой, в каждой точке действует ТЭДС разной величины. В результате в зоне резания образуется сложная система электрических цепей (контуров), при разрыве которых происходит перенос капли одного из материалов на поверхность другого в зависимости от знака заряда поверхности. При переносе капли обрабатываемого материала на поверхность инструмента она приваривается к поверхности инструмента и образует порог, который выламывается вместе с объемом инструментального материала. Кроме того твердая затвердевшая капля проволакиваясь между обрабатываемым материалом и инструментом царапает поверхность последнего и усиливает абразивное изнашивание. Такой механизм изнашивания, надо полагать, значительно усиливает изнашивание твердосплавных инструментов, работающих при больших скоростях резания, при которых в зоне резания развиваются ТЭДС до нескольких десятков милливольт, а температура находится в пределах 1000. Твердая частица в этом случае легко выскабливает размягченную и выдавленную на поверхность кобальтовую связку, недостаток которой ослабляет соединение твердых карбидных зерен твердого сплава. Выкрашивание их приводит к лавинообразному развитию изнашивания инструмента.

Данный материал основан на лекциях Подгоркова Владимира Викторовича (д.т.н., проф. кафедры ТАМ, Ивановский государственний энергетический университет)