книги / Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

ГЛАВА 3. ИЗНОС ИНСТРУМЕНТА

В процессе резания, из-за больших контактных давлений и высоких температур резания, лезвие инструмента теряет свою режущую способность. Это вызвано износом контактных поверхностей инструмента [1, 4, 10, 14].

Различают несколько процессов износа:

– изнашивается преимущественно задняя поверхность

(рис. 3.1, а);

–изнашивается преимущественно передняя поверхность инструмента и слабо задняя (рис. 3.1, б);

–изнашивается задняя и передняя поверхности инструмента

(рис. 3.1, в).

Рис. 3.1. Износ инструмента

Лунка образуется в точке с максимальной температурой.

Вмомент, когда поверхность лунки на передней поверхности соприкоснется с поверхностью износа на задней поверхности, инструмент придет в негодность.

Впроцессе резания пластинами из твердого сплава наблюдается выкашивание режущих кромок. Такой вид износа обусловлен циклическими нагрузками, воздействующими на режущую кромку, и превышением изгибающих нагрузок, действующих на переднюю поверхность.

32

При обработке заготовок из труднообрабатываемого материала твердосплавным инструментом наблюдается пластическое деформирование режущей кромки.

Мерой износа инструмента выступают линейные размеры площадок и лунок износа.

Существует четыре гипотезы, объясняющие механизм изнашивания инструмента:

1)абразивное действие, оказываемое обрабатываемым материалом (абразивное изнашивание);

2)адгезионное взаимодействие между инструментом и обрабатываемым материалом (адгезионное изнашивание);

3)диффузионное растворение инструментального материала

вобрабатываемом (диффузионное изнашивание);

4)химические процессы, происходящие на передней и задней поверхностях (окислительное изнашивание).

3.1. Абразивное изнашивание

Сущностью абразивного износа является царапание контактных поверхностей инструмента твердыми включениями обрабатываемого материала. В результате этого контактные поверхности меняют свою геометрическую форму и размеры. Любой обрабатываемый материал содержит в своем составе компоненты, твердость которых намного превосходиттвердость основногосостава.

В стали такими компонентами могут быть цементит, карбиды и т.д.

Чем меньше отношение твердости инструмента к твердости обрабатываемой заготовки, тем сильнее абразивное изнашивание.

Абразивное изнашивание усиливается при резании в химически активных средах.

3.2. Адгезионное изнашивание

Адгезия – схватывание, слипание. В процессе резания на контактных поверхностях инструмента создаются условия для сближения контактирующих тел, при этом параметр сближения

33

равен размеру кристаллической решетки материалов. В таких условиях возникают межмолекулярные связи, под действием которых создаются мостики сварки.

При возникновении мостиков сварки на выступах шероховатости поверхности инструмента остаются частицы стружки.

В последующем при движении стружки возникают вновь мостики сварки, и опять происходит вырывание частиц стружки.

Процесс образования и разрушения носит циклический характер. В результате этого выступ шероховатости поверхности инструмента циклическиразрушается, иэта частицауносится стружкой.

3.3. Диффузионный износ

Наблюдается при температуре резания свыше 800º С. При такой температуре и больших контактных давлениях в местах контакта стружки и инструмента происходит временная диффузия молекул инструментального и обрабатываемого материала. В результате этого на контактных поверхностях инструмента создается пограничный слой с другими физико-механическими характеристиками, прочность которых меньше прочности инструментального материала.

3.4. Окислительный износ

Возникает при температуре 700–800º С. При таких температурах кислород из воздуха активно вступает в химическую реакцию с поверхностями инструмента. В результате создаются окислы, прочность которых в 30–40 раз меньше прочности основного инструментального материала.

Наиболее активно окисляется кобальт в твердых сплавах. В результате целые блоки карбидоввырываются споверхностей.

На практике действуют четыре указанных гипотезы, степень влияния которых зависит от конкретных условий резания.

Установлено, что интенсивность износа по времени протекает неравномерно (рис. 3.2).

34

И оптимальные, и технологические критерии используются на практике одинаково часто.

Оптимальный износ применяется в тех случаях, когда есть возможность контролировать величину износа по задней поверхности (станки с ЧПУ, с системой активного контроля износа инструмента).

3.5. Смазочно-охлаждающие технологические среды

Большинство операций резания производится с применением смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС).

Их применение повышает стойкость инструмента, снижает шероховатость обработанной поверхности и обеспечивает надежную работу инструмента.

Большую часть технологических сред составляют смазочноохлаждающие жидкости (СОЖ).

Эффект от применения СОЖ состоит в создании смазывающих пленок, а также в отводе тепла с контактных поверхностей инструмента и в моющем эффекте.

Пленки, создающие эффект смазывания, по своей природе могут быть физическими, химическими и механическими.

Физические пленки создаются за счет адсорбции химических элементов, находящихся в составе СОЖ.

Химические пленки создаются за счет химического взаимодействия химических элементов материала и веществ СОЖ.

Механические пленки создаются за счет заполнения впадин микронеровностей твердыми составляющими веществ, входящих в состав СОЖ.

Охлаждающее действие СОЖ состоит в отводе тепла от контактных поверхностей инструмента, в результате чего увеличивается градиент температур между нагретыми участками и охлажденными участками режущего клина, что увеличивает отток тепла от контактных поверхностей инструмента.

Для обеспечения охлаждающего действия СОЖ должна обладать следующими свойствами: малая кинематическая вязкость, большая теплоемкость и теплопроводность.

36

Моющее действие СОЖ состоит в том, чтобы вымывать продукты износа из зоны резания. Это свойство особенно важно для процессов шлифования.

Все используемые СОЖ делят на две группы: СОЖ на водной основе; СОЖ на масляной основе.

СОЖ на водной основе представляет собой раствор электролитов и поверхностно-активных веществ.

В водных растворах электролитов в качестве присадок используют концентрированную соду, нитрат натрия и т.д.

СОЖ на основе масла имеют в своей основе чистые масла растительного и животного происхождения (рыбий жир, подсолнечное масло). Недостатком данного типа СОЖ является высокая цена и недолговечные свойства.

Широкое применение нашли минеральные масла средней вязкости (индустриальные 12 и 20)

Для увеличения смазывающего эффекта в минеральные масла добавляют растительные масла и животные жиры, такие масла называются компаундированные.

Широкое распространение получили минеральные масла, активированные серой – сульфофрезолы.

Выбор СОЖ определяется характером операции обработки и свойствами материала инструмента и обработанной заготовки.

Под каждую пару инструмент-заготовка подбирается определенный состав СОЖ.

Для уменьшения номенклатуры используются несколько наиболее оптимальных составов СОЖ.

При чистовой обработке, которая характеризуется высокой теплонапряжённостью процесса, используются СОЖ с повышенным охлаждающим действием (СОЖ на водной основе).

При обработке с невысокими скоростями резания используются жидкости на масляной основе.

При чистовой обработке с высокими скоростями используют эмульсии. При чистовой обработке с минимальными скоростями используют чистые минеральные масла.

37

Большинство операций по обработке чугунных заготовок осуществляется без применения СОЖ, это объясняется относительно невысокими температурами резания, а также большим загрязнением оборудования при использовании СОЖ.

Для чистовой обработки чугунных заготовок иногда используется керосин.

Большинство операций с использованием твердосплавного инструмента при прерывистом резании производится без использования СОЖ, это объясняется тем, что в таких процессах происходит термоциклическое разрушение и использование СОЖ в этом случае только усилит износ.

38

ГЛАВА 4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЦЕССЕ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ

4.1. История возникновения и развития метода электроэрозионной обработки

Согласно ГОСТ 25331–82, электроэрозионная обработка (ЭЭО) заключается в изменении формы, размеров, шероховатости и свойств поверхности заготовки под действием электрических разрядов в результате электрической эрозии.

Впервые явление эрозии металлов под действием электрического тока было описано английским ученым Д. Пристли в конце XVIII в. [15, 16]. Пристли заметил, что при разрыве электрической цепи в месте разрыва возникает искра или более продолжительная по времени электрическая дуга. Причем возникновение электрического разряда приводило к сильному разрушению поверхностей контактов разрываемой цепи, которое сопровождалось интенсивным съемом металла. Данное открытие было названо электрической эрозией. Однако впервые идея использования явления электрической эрозии для размерной обработки была предложена советскими учеными Б.Р. Лазаренко иН.И. Лазаренко.

В годы Великой Отечественной войны супруги Лазаренко работали над проблемой устранения разрушения от электрической эрозии высоковольтных выключателей. Проведенные эксперименты показывали, что после размыкания электрической цепи в жидком диэлектрике жидкость мутнела уже после первых разрядов между контактами. Были установлено, что вследствие электрической эрозии электродов в жидкости появляются мельчайшие металлические шарики, иными словами, происходит съем металла.

Оказалось, что если обеспечить прохождение электрических импульсов тока между двумя электродами, поместив их в среду определенной рабочей жидкости (РЖ) (при этом один из электродов представляет собой обрабатываемую заготовку (деталь), а другой – инструмент (ЭИ)), то, сообщая инструменту поступательное

39

движение (по мере разрушения заготовки вглубь), можно получить необходимую форму и размер обрабатываемой детали [17].

Таким образом, в 1943 г. был открыт абсолютно новый метод обработки токопроводящих материалов, названный ЭЭО. И уже в 1948 г. Б.Р. Лазаренко создает Центральную научно-исследова- тельскую лабораторию электрических методов обработки материалов, котораяприобрела статус академическойв1955 г.

Активный вклад в развитие ЭЭО внесли такие ученые, как Б.Н. Золотых, Н.К. Фотеев, Б.И. Ставицкий и др.

Успешно развивается ЭЭО материалов за рубежом. Создан мировой рынок соответствующих технологий и оборудования, лидирующие положения в котором занимаетЯпония, гдев 1950-хгг. был создан НИИэлектроэрозионнойобработки[16, 18].

В настоящее время производство электроэрозионного оборудования стремительно развивается и занимает четвертое место по объему продаж на рынке металлорежущего оборудования.

История развития метода ЭЭО является ярким примером создания и дальнейшего развития наукоемких технологий. Данный метод является уникальным и в ближайшем будущем займет лидирующиепозиции вмировом технологическомпространстве [19].

Термины и определения ЭЭО регламентируются ГОСТ 25331–82. В настоящее время по технологическим признакам установлены следующие виды ЭЭО: прошивание (ЭЭПр), отрезка (ЭЭОт), вырезание (ЭЭВ), маркирование (ЭЭМ), объемное копирование (ЭЭОК), шлифование (ЭЭШ), доводка (ЭЭД) и электроэрозионное упрочнение (ЭЭУ).

4.2. Сущность процесса электроэрозионной обработки

При описании сущности процесса ЭЭО необходимо ввести следующие понятия [17, 20]:

– межэлектродный промежуток (МЭП) – пространство между электродом-деталью (ЭД) и электродом-инструментом (ЭИ) при электроэрозионной обработке;

40