книги / Резание материалов
..pdfНаиболее эффективно алмазные инструменты применяются при обработке твердых сплавов, керамики, мрамора и стекла. Примерно 80 % алмазных порошков используют для изготовления шлифовальных кругов, притиров, хонов и др., а остальные 20 % – в виде порошков и паст.
Карбонадо – более плотные модификации синтетического алмаза. По твердости карбонадо превосходит композиты, но уступает по теплостойкости. Все карбонадо выпускаются в виде цилиндров диаметром 4…6 мм и высотой 3…6 мм или в виде пластин.
Силинит Р – новый сверхтвердый синтетический материал с НRА 94...96, но он недостаточно прочен. Применяется для лезвийных инструментов при чистовой и тонкой обработке.
Монокристаллические материалы. В последние годы в ка-
честве инструментальных материалов находят применение синтетический корунд в виде рубина, а также монокристаллы бесцветного корунда, или лейкосапфиры. Рубин представляет модификацию -Аl2О3 с небольшими примесями хрома, а лейкосапфир – синтетический монокристалл в виде -модификации, который почти не содержит примесей. Инструменты, изготовленные из монокристаллов корунда, рекомендуется использовать для тонкой обработки цветных металлов, сталей и чугунов.
Анализ применения инструментальных материалов показал, что производство и распространение инструментальных материалов в мире в последнее время существенно изменилось. Выпуск быстрорежущих сталей сегодня составляет 66 %, твердых сплавов – 32 %, керамики и СТМ – 2 %. При этом объем снимаемой стружки составляет: твердыми сплавами – 68 %, быстрорежущими сталями – 28 %, СТМ – 4 %.
ВРФ применяют 70 % быстрорежущих сталей и 30 % твердых сплавов, втом числе20 % с поворотными сменными пластинами.
Вближайшее время распределение инструментальных мате-
риалов в мировой практике будет в следующей пропорции: 45 % – быстрорежущие стали, 40 % – твердые сплавы и 15 % – керамика и СТМ.
261
4.2.Изнашивание и разрушение режущих инструментов
Изучение механизма и природы износа инструмента постоянно привлекало и привлекает внимание исследователей резания металлов. Выдвинутые гипотезы и теории износа относились вначале к инструментам из углеродистых и быстрорежущих сталей, затем – к твердым сплавам, алмазу, минералокерамическим, сверхтвердым материалам и т.д.
В настоящее время большинство исследователей считают, что режущий инструмент подвергается различным по природе видам износа – абразивному, адгезионному, диффузионному, химическому, термическому, электрическому и прочим. В зависимости от условий резания превалирующим может быть один вид износа или же инструмент подвергается одновременно действию различных видов износа.
4.2.1. Напряжения в инструменте
ивиды износа инструмента
Врезультате высокого давления, температуры и скорости относительного перемещения контактные поверхности инструмента в процессе его эксплуатации изнашиваются. Изнашивание режущего инструмента в процессе резания протекает весьма разнообразно в связи с различными условиями его работы. Эти условия могут резко изменяться в зависимости от обрабатываемого материала, геометрии и материала инструмента, скорости резания, величины среза, смазочно-охлаждающей среды, жесткости технологической системы.
Практически можно наблюдать следующие процессы износа
(рис. 146):
изнашивается преимущественно передняя поверхность и незначительно задняя поверхность резца с образованием лунки глубиной hл (см. рис. 146, а);
истирается значительно задняя и слабо передняя поверхности с образованием площадки hз (см. рис. 146, б);
262
одновременно изнашиваются передняя и задняя поверхности с полным разрушением кромки (см. рис. 146, в);
закругляется режущая кромка.
а б в
Рис. 146. Виды износа инструмента (hз – площадка износа; hл – лунка износа)
Преимущественный износ передней поверхности происходит при обработке пластичных сталей с устойчивым наростом, защищающим режущую кромку от непосредственного воздействия стружки и поверхности резания. Подобный износ имеет место при снятии крупных стружек, а также при больших скоростях резания и часто наблюдается у резцов с отрицательными передними углами. Износ по передней поверхности образуется при резании пластичных материалов с большой толщиной среза (> 0,5 мм).
Увеличение глубины hл и |
ширины с лунки износа приводит |
к уменьшению перемычки f |
и разрушению кромки. |
Значителен износ задней поверхности с увеличением положительного переднего угла также у резцов с малыми задними углами. Износ по задней поверхности hз наблюдается в случае резания с малой толщиной среза, фаска износа hз образуется с нулевым задним углом (или отрицательным). Он особенно заметен при грубой обработке хрупких металлов, в частности чугуна, а также вязких аустенитных сталей и сплавов, обладающих большим упругим последействием. В этом случае резание происходит с повышенной температурой вследствие слабой теплопроводности обоих металлов; притом неровная поверхность резания,
263
обладая значительными абразивными свойствами, способствует износу задней поверхности инструмента.
При обработке сталей, обладающих значительной истирающей способностью и особой склонностью к наклепу, когда в процессе деформации выделяется карбидная фаза, наблюдается сильное изнашивание одновременно передней и задней поверхностей резца. Увеличение лунки износа приводит к изменению действительных переднего угла иугларезания, что влияет напроцесс резания.
Износ по передней и задней поверхности наблюдается при обработке пластичных материалов со средней величиной среза (от 0,1 до 0,5 мм). Главная причина выхода инструмента из строя – нарастание износа hл (см. рис. 146, в).
Округление режущей кромки (вершины) инструмента наблюдается, как правило, при чистовой обработке материалов, обладающих низкой (малой) теплопроводностью.
При чистовой обработке износо- и теплостойким инструментом материалов, обладающих малой теплопроводностью, например пластмасс, режущая кромка инструмента плавно закругляется. Износ самой режущей кромки особенно развивается в процессе резания вязких высокопрочных материалов (аустенитных сталей). В этом случае необходимо уменьшить наклеп обрабатываемого материала путем тщательной заточки режущей кромки с малым радиусом закругления, чтобы усилить режущий эффект.
Наиболее типичный процесс износа твердосплавных резцов при скоростной обработке стали протекает примерно в такой последовательности. Сначала происходит постепенное закругление режущей кромки, невидимое невооруженным глазом, но заметное через микроскоп. На передней поверхности появляются следы будущей лунки в виде светлой полосы, а на задней поверхности – узкая фаска износа. В первый момент стружка прямая, шпагообразная, а затем изогнутая и путаная. Но через некоторое время по мере углубления лунки на передней поверхности стружка завивается в спирали, сначала длинные, а затем все более короткие. Лунка постепенно углубляется и расширяется главным образом в направлении движения стружки. Вдоль режущей кромки по задней
264
поверхности непрерывно расширяется ленточка износа, а на передней поверхности суживается фаска. При этом стружка завивается в короткие спирали все уменьшающегося со временем диаметра, а затем сходит в виде связанных между собой дугообразных элементов. Режущая кромка изнашивается неравномерно: в первую очередь и наиболее интенсивно вырабатываются участки скоплений кобальтовой фазы и мелких разобщенных зерен WC. Через некоторое время режущая кромка частично выкрашивается, и стружка в форме бочкообразных элементов стремительно вылетает вверх от резца. Это признаки полного затупления резца. На обработанной поверхности замечаются прилипшие мелкие частицы.
При скоростном точении стали твердосплавным резцом с положительным передним углом = +5° ширина лунки с растет в обе стороны, в результате чего ширина фаски f уменьшается (рис. 147, кривые 1 и 3).
Ширина фаски f и ширина лунки c, мм
Рис. 147. Изменение ширины фаски f и ширины лунки износа с на передней поверхности резца с различными передними углами:
1 – с1 при = +5°; 2 – с2 при = –35°; 3 – f1 при = +5°; 4 – f2 при = –35°
Между тем у резца с передним углом = –35° фаска оставалась неизменной, т.е. лунка на передней поверхности резца удлинялась лишь в сторону движения стружки (см. рис. 147, кривые 2
265
и 4). Это явление можно объяснить тем, что в процессе резания с увеличением угла резания наряду с повышением температуры напряженное состояние зоны резания максимально приближается к объемному сжатию и, следовательно, пластичность металла в зоне резания увеличивается. Вместе с этим, как известно, уменьшается угол сдвига, в связи с чем изменяется направление стружки. Рассмотренный процесс сопровождается как повышением нагрузки, так и увеличением вибраций. Однако при образовании лунки, когда режущая кромка еще не разрушена, наблюдается обратное явление – станок работает легче, начавшиеся вибрации уменьшаются; с появлением лунки увеличивается передний угол γср и уменьшается фактический угол резания ф, стружка более плавно отходит (рис. 148). В этих условиях облегчается образование устойчивого нароста, защищающего режущую кромку
вместе с фаской на передней поверхности резца, |
что способствует |
||||
|
более спокойной работе. Обра- |
||||
|
зование и развитие лунки на |
||||
|
передней |
поверхности |
резца |
||
|
в большой мере зависит от |
||||
|
степени взаимодействия обра- |
||||
|
батываемого |
и инструмен- |
|||
|
тального материалов. |
|
|||
|
Надо заметить, что удары, |
||||
|
вибрации, |
колебания нагрузок |
|||
Рис. 148. Изменение угла |
по различным причинам силь- |
||||
но ускоряют износ инструмен- |
|||||
резания за счет образования |
|||||
та, особенно хрупкого, |
напри- |
||||
лунки на передней поверхности |
|||||
|
мер твердосплавного и мине- |
||||
ралокерамического. Перерывы в работе и связанное с этим частое врезание резца
в обрабатываемую деталь также усиливают износ хрупкого инструмента, и тем интенсивнее, чем чаще происходит врезание. Надо полагать, что отрицательный эффект работы с перерывами вызывается не только механическими ударами при врезании, но и температурой режущей кромки, которая значительно ниже при
266
работе с перерывами. В последнем случае хрупкая режущая кромка подвергается более частым тепловым ударам, вызывающим усиленный износ режущей кромки. Следовательно, можно сделать вывод о целесообразности применения твердых, но хрупких инструментов, например эльборовых, керамических резцов при чистовом точении на больших переходах, когда требуется обеспечить точные размеры обрабатываемой детали.
При работе быстрорежущим резцом происходит обратное явление, так как перерывы в работе способствуют охлаждению
иулучшению структуры резца. Кроме того, повышение стойкости быстрорежущих резцов при работе с перерывами объясняют
итем, что в этом случае на поверхности инструмента создаются адсорбированные пленки окислов, в результате чего уменьшается трение и тем самым снижается износ инструмента.
Повышенный износ режущего инструмента при вибрационном резании, очевидно, вызван динамическим эффектом врезания резца, происходящего непрерывно при колебательном процессе. При этом срывается защитная окисная пленка, что способствует усилению износа, хотя при вибрационном резании снижается температура резания, усадкастружки имощность, затрачиваемая нарезание.
Часто износ режущего инструмента происходит неравномерно вдоль режущей кромки. Наблюдается усиленный износ у вершины резца, а также на участке контакта режущей кромки с обрабатываемой поверхностью. Усиленный износ у вершины резца вызван более тяжелыми условиями работы (завал или повышенный радиус закругления режущей кромки, неблагоприятные угол резания и задний угол, повышенная температура). Усиленный износ режущей кромки на участке контакта с обрабатываемой поверхностью объясняется наклепом обрабатываемой поверхности вследствие предшествующей обработки или наличием твердой корки; ширина зоны усиленного износа может характеризовать в известной мере толщину наклепанного слоя.
Большой интерес представляют явления, связанные с пластической деформацией самого инструмента, которые наблюдаются при обработке вязких металлов с большими скоростями резания. В этих случаях развивается высокая температура резания, резко
267
изменяется соотношение твердости стружки и инструмента, и последний теряет формоустойчивость.
При резании инструментами из твердых сплавов с очень высокими силовой и тепловой нагрузками износу инструмента иногда предшествует пластическое деформирование вершины режущего клина. Формоизменение клина заключается в опускании
|
части передней |
поверхности, |
|
|
примыкающей к главному лез- |
||
|
вию, на расстояние h1 и выпучи- |
||
|
вании задней поверхности с вы- |
||
|
сотой h2 (рис. 149). В результате |
||
|
искривления задней поверхно- |
||
|
сти на ней образуется нулевой |
||
|
или отрицательный задний угол, |
||
|
способствующий |
интенсивному |
|
|
изнашиванию инструмента. |
||
|
Изнашивание |
твердосплав- |
|
Рис. 149. Пластическое |
ного инструмента может сопро- |
||
вождаться осыпанием и выкра- |
|||
деформирование режущего |
|||
клина |
шиванием вершины режущего |
||
клина. Подосыпаниемпонимают частичное или сплошное разрушение лезвий размером не выше 0,3 мм. Под выкрашиванием понимают частичное или сплошное разрушение лезвий и поверхностей инструмента размером от 0,3 до 1 мм. Более крупные повреждения лезвий (сколы) относятся к контактному разрушению режущей части инструмента.
На практике большое значение имеет установление целесообразного критерия затупления режущего инструмента. Этот критерий должен быть определен с учетом требуемой точности и шероховатости обработанной поверхности, вида инструмента, его геометрии и материала.
Было бы неправильно доводить затупление инструмента до полного разрушения режущих кромок. Это не оправдывается ни экономическими, ни эксплуатационными соображениями. Устанавливается определенный условный критерий затупления, по достижении которого инструмент перетачивается.
268
Толщина срезаемого слоя и скорость резания оказывают одинаковое влияние на вид износа. При малых толщинах срезаемого слоя (менее 0,1 мм) и низких скоростях резания преимущественному изнашиванию подвергается задняя поверхность. По мере увеличения толщины срезаемого слоя и скорости резания помимо задней начинает изнашиваться и передняя поверхность,
ичем больше толщина и ширина среза а и b, тем передняя поверхность изнашивается больше, а задняя – меньше. Например, при точении без СОЖ детали из стали 45 резцом из твердого сплава Т15К6 в диапазоне скоростей резания 50…210 м/мин при подаче 0,08 мм/об доля износа задней поверхности составляет 60…80 %, а доля износа передней поверхности – 10…15 % в общем износе резца. С увеличением подачи до 0,46 мм/об доля износа передней поверхности увеличивается до 60…90 %, а задней поверхности – уменьшается до 5…7 %. При подаче 0,24 мм/об
идиапазоне скоростей резания 80…150 м/мин доли износа передней и задней поверхностей приблизительно одинаковы.
Меньшее влияние на вид износа оказывают передний угол инструмента и применяемая СОЖ. При увеличении переднего угла, толщины срезаемого слоя, скорости резания и при использовании СОЖ, обладающей высокой теплопроводностью, первый вид износа переходит во второй.
Мерой изношенности (затупления) инструмента могут служить линейный и массовый износы. Принимая за показатель линейный износ, об изношенности задней поверхности судят по
максимальной ширине площадки износа hз, передней поверхности – по максимальной глубине лунки износа hл (см. рис. 146). При чистовой размерной обработке изношенность инструмента
удобно оценивать линейным размерным радиальным износом hr (рис. 150), характеризующим смещение вершины или переходного лезвия инструмента в направлении, перпендикулярном к обработанной поверхности, в результате износа его задних поверхностей. Величина размерного износа определяет увеличение или уменьшение размера обрабатываемой детали по мере изнашивания инструмента.
269
Если за меру изношенности инструмента принят линейный износ, то при этом измеряется только его максимальная величина и не учитывается ни местоположение максимального износа на лезвии инструмента, ни то, что во время его работы в результате местного выкрашивания инструментального материала максимальный износ может
перемещаться вдоль лезвия. Максимальный линейный износ может быть достаточно надежной характеристикой при разработке промышленных норм допускаемых износов и норм расхода инструмента на переточки. Для исследования же физической природы изнашивания инструментов более объективной характеристикой является массовый износ – масса изношенной части инструмента (в миллиграммах), которой пропорциональна работа сил трения, затрачиваемая на превращение инструментального материала в продукты изнашивания.
При исследовании влияния различных факторов процесса резания на интенсивность изнашивания инструмента полезно пользоваться так называемым относительным износом. Под относительным износом понимают отношение линейного, размерного или массового износа к какому-либо показателю, характеризующему производительность инструмента до момента его затупления. Такими показателями могут быть путь, пройденный инструментом, площадь обработанной поверхности, объем срезанного слоя и т.п. Наиболее часто абсолютный износ относят к пути L, пройденному инструментом, при этом относительный линейный износ определяют по формуле
= h/L.
Путь резания L = V · T. При точении путь резания (L, м), можно подсчитать по формуле
270