книги / Резание материалов
..pdfL D l , 1000S
где l – длина обработанной поверхности, м; D – наружный диаметр заготовки, мм; S – подача резца, мм/об.
4.2.2.Физическая сущность
ивиды изнашивания инструментов
Несмотря на то, что износ инструмента является важнейшим показателем его работоспособности, физическая природа изнашивания изучена еще очень плохо вследствие исключительной сложности контактных процессов, протекающих на передней и задней поверхностях инструмента. Существует ряд гипотез, объясняющих физическую природу изнашивания инструментов, работающих в различных условиях. По этим гипотезам основными причинами, приводящими к изнашиванию контактных поверхностей инструмента, являются:
а) абразивное действие, оказываемое обрабатываемым материалом (абразивное изнашивание);
б) адгезионное взаимодействие между инструментальным и обрабатываемым материалами (адгезионное изнашивание);
в) диффузионное растворение инструментального материала в обрабатываемом (диффузионное изнашивание);
г) химические процессы, происходящие на передней и задней поверхностях (окислительное изнашивание).
Абразивное изнашивание. Одним из видов износа режущего инструмента является абразивный износ, который в отдельных случаях может иметь основное значение. Механизм абразивного износа состоит в том, что твердые включения обрабатываемого материала (Ni3Тi; Ni3(А1,Тi) и др.), внедряясь в контактные поверхности инструмента, царапают эти поверхности, действуя как микроскопические резцы. Наиболее сильно абразивный износ проявляется в том случае, когда твердость режущей части инструмента в процессе резания невелика.
При трении поверхности резания о задние поверхности, а стружки о переднюю поверхность инструмента твердые микро-
271
компоненты материала обрабатываемой детали царапают материал инструмента, постоянно разрушая его (рис. 151).
100 резов |
300 резов |
Рис. 151. Общий вид абразивного износа по задней поверхности зубьев протяжки в зависимости от времени резания – числа резов (ХН35ВМТЮ, Sz = 0,02 мм/зуб, ВК8)
Интенсивность абразивного изнашивания возрастает при увеличении содержания в сталях цементита (НВ 800) и сложных карбидов, в чугунах – цементита и фосфидов, в силуминах – карбида кремния, в жаропрочных сплавах – интерметаллидов, которые сохраняют высокую твердость даже при высоких температурах резания. Контактные поверхности инструмента могут также царапать частицы периодически разрушающегося нароста, твердость которого значительно превосходит твердость материала обрабатываемой детали. Особенно сильно изнашивается задняя поверхность, на которой появляются углубления в виде канавок, перпендикулярные к главному лезвию.
Абразивное изнашивание усиливается при резании в химически активных средах (например, в четыреххлористом углероде), ослабляющих сопротивляемость контактных поверхностей инструмента царапанью. Абразивное действие обрабатываемого материала становится тем сильнее, чем меньше отношение твердостей инструментального Ни и обрабатываемого Нм материалов. Вследствие этого абразивное изнашивание заметнее проявляется при работе инструментами из углеродистых и быстрорежущих сталей и в меньшей степени – при работе твердосплавными инструментами, твердость которых значительно выше.
272
Адгезионное изнашивание. В процессе резания между инструментом и деталью имеются условия для образования адгезионного схватывания (адгезия – схватывание, слипание, сваривание). Для этого необходимо, чтобы поверхности были ювенильно чистыми и были приведены в очень плотный контакт, т.е. чтобы начали действовать межмолекулярные силы. Таким образом, силы адгезии возникают как результат межмолекулярного взаимодействия между твердыми телами (рис. 152).
аб
Рис. 152. Характер адгезионного износа зубьев протяжек по задней грани после протягивания на скорости 2 м/мин (а) и 26 м/мин (б) (ХН35ВТЮ, ВК8, Sz = 0,06 мм/зуб, 300 резов)
Контактные поверхности стружки и передней грани резца не являются идеально гладкими, поэтому соприкосновение между ними происходит лишь по выступающим участкам. Это вызывает огромные удельные нагрузки, разрушающие защитные окисные пленки, в результате чего происходит «холодное сваривание» металла стружки и инструмента в местах истинного контакта. Это «сваривание» более вероятно при относительно высокой температуре, способствующей местной пластической деформации
иразрушению защитной пленки. При непрерывном движении стружки по резцу в местах контакта возникают напряжения среза,
ив результате на передней поверхности инструмента вырываются мельчайшие частицы металла. Возможность отрыва мягким обрабатываемым материалом частиц более твердого инструмента объясняют неоднородностью инструментального материала,
273
имеющего на своей поверхности размягченные микроучастки, и изменением соотношения твердостей обрабатываемого и инструментального материалов в процессе резания при различных температурах резания.
Сила сцепления контактного слоя стружки с передней поверхностью достаточно велика. При отделении стружки от передней поверхности из твердого сплава отрываются частицы и уносятся со стружкой. Это наглядно продемонстрировано при измерении силы сцепления стружки с передней поверхностью зуба протяжки (рис. 153).
Рис. 153. Момент измерения силы сцепления корня стружки с режущей кромкой протяжки (ХН35ВТЮ–ВД, V = 8 м/мин, Sz = 0,1 мм/зуб, вес грузиков Р = 200 г)
После протягивания к стружке, оставшейся в стружечной канавке протяжки, подвешивали грузики весом от 50 до 300 г и измерялось усилие отрыва стружки. Усилие отрыва в зависимости от режима протягивания составляло 200…300 г. С увеличением скорости резания адгезионные силы уменьшались.
Можно предположить, что подобный адгезионный износ происходит при обработке не только пластичных металлов, но и хрупких, например закаленной стали и чугуна. Иначе трудно объяснить износ теплостойкого твердосплавного инструмента только абра-
274
зивным истиранием, поскольку закаленная сталь и цементит чугуна уступают по твердости карбидам вольфрама, титана или тантала, составляющим металлокерамические твердые сплавы.
Более глубокое исследование этого механизма изнашивания стало возможным благодаря применению микрорентгеноспектрального анализа и электроноскопии. На основании исследований, проведенных с рядом чистых металлов, установлено, что схватывание металлов, т.е. появление прочных временных соединений между соприкасающимися поверхностями, образуется в твердом состоянии в результате совместного пластического деформирования химически чистых находящихся в контакте поверхностей и может быть получено как при комнатной температуре, так и при повышенных температурах. Для наступления схватывания недостаточно только сближения поверхностей на расстояние порядка параметра кристаллической решетки, а необходимо превышение определенного для каждой пары материалов энергетического порога. Схватывание есть бездиффузионный процесс, близкий к мартенситному или полиморфному превращению. Необходимое для схватывания энергетическое состояние может достигаться как за счет повышения температуры, так и зa cчeт coвмеcтнoго плacтичecкoго деформирования. Способность материалов к адгезионному взаимодействию резко повышается при температурах, близких к температуре рекристаллизации. При контакте одноименных материалов схватывание начинается при температурах, равных (0,3…0,4)Тпл (температуры плавления), а при контакте разноименных – при температурах, равных (0,35…0,5)Тпл. При очень высоких температурах термически активируемая адгезия по природе отличается от адгезии при низких температурах и характеризуется способностью контактируемых материалов к спеканию. Прочность адгезионных связей оценивают коэффициентом адгезии, представляющим собой отношение силы, необходимой для разделения контактируемых поверхностей, к величине действующей нагрузки.
В процессе резания между инструментом и деталью имеются условия для образования адгезионного схватывания. Фактическая площадь контакта между контактными поверхностями инстру-
275
мента, стружкой и поверхностью резания составляет незначительную часть от номинальной площади контакта. Вследствие высоких контактных давлений в точках соприкосновения выступов фактических площадок контакта инструмента, стружки и поверхности резания развиваются локальные пластические деформации с высокой температурой. В результате этого происходит соприкосновение химически чистых участков обрабатываемого и инструментальных материалов и их взаимное схватывание с образованием очагов мостиков схватывания. При перемещении инструмента по детали происходит непрерывное разрушение и возобновление мостиков схватывания. Срез в зоне контакта двух металлических поверхностей может происходить различным образом. Если прочность «сваривания» меньше прочности самих металлов, то срез осуществляется по поверхности самого соединения; при этом количество металла, вырванного с обеих поверхностей, т.е. износ, незначительно. Когда соединение прочнее обоих металлов, срез, как правило, происходит в среде одного из них, менее прочного. Инструментальные материалы обычно тверже обрабатываемого и, очевидно, срез должен располагаться в толще обрабатываемого материала. Однако при этом возможны вырывы и частиц инструментального материала.
Пepиoдичecки пoвтopяющeecя cxвaтывaниe и разрушение адгезионных соединений вызывает циклическое нагружение поверхностного слоя инструментального материала. По сравнению с обрабатываемым материалом материал режущей части инструмента является более хрупким, и указанный характер нагружения приводит к его локальному разрушению. Вырванные с контактных поверхностей инструмента объемы инструментального материала уносятся стружкой и передней поверхностью, а на его контактных поверхностях образуются борозды и кратеры. Масса инструментального материала, удаляемого с контактных поверхностей инструмента на единицу пути резания, зависит от прочности и твердости обрабатываемого материала. При прочих
равных условиях, чем меньше отношение Ни (твердости инст-
Нм
276
румента к твердости обрабатываемого материала), тем сильнее изнашивание инструмента.
Чем выше циклическая прочность и ниже хрупкость инструментального материала, тем выше его износостойкость при равной теплостойкости. Поэтому в зоне невысоких температур резания, когда теплостойкость инструментального материала не имеет решающего значения, износостойкость твердых сплавов может быть ниже, чем износостойкость быстрорежущих сталей, имеющих более высокую прочность и лучше сопротивляющихся цик-
лическим нагрузкам (рис. 154). |
|
||||
По |
интенсивности |
протека- |
|
||
ния адгезионного |
изнашивания |
|
|||
инструментальные |
материалы |
|
|||
различно реагируют на изменение |
|
||||
температуры резания. Относи- |
|
||||
тельный |
износ |
инструментов из |
|
||
быстрорежущих |
сталей, |
хорошо |
|
||
сопротивляющихся |
циклическим |
|
|||
контактным нагрузкам, до темпе- |
Рис. 154. Зависимость |
||||
ратур 500 °С остается почти по- |
интенсивности адгезионного |
||||
стоянным или уменьшается при |
износа hа и отношения Ни/Нм |
||||
увеличении температуры резания. |
от температуры θ |
||||
При нагреве твердых сплавов их хрупкость уменьшается, что способствует повышению сопротив-
ляемости контактным нагрузкам. Поэтому в интервале температур 500…750 °С повышение температуры резания уменьшает относительный износ твердосплавного инструмента.
Адгезионный износ инструмента можно уменьшить, применяя жидкости, создающие на контактных поверхностях защитные пленки, уменьшающие силы адгезии и препятствующие схватыванию обрабатываемого и инструментального материалов. Например, применение химически активных жидкостей, образующих пленки химических соединений, при работе твердосплавными резцами в зоне малых и средних скоростей резания повышает время работы резцов до переточки. Этого нельзя сказать об инст-
277
рументах из быстрорежущих сталей, так как химически активные жидкости, ослабляя адгезионные явления, одновременно способствуют усилению химического изнашивания контактных поверхностей, связанного с химическим растворением мартенситной основы стали.
Диффузионное изнашивание. Исследования, проведенные рядом ученых, показали, что интенсивность износа твердосплавного инструмента может происходить из-за взаимной диффузии инструментального и обрабатываемого материалов, т.е. при высоких температурах (более 800 °С) происходит диффузионное растворение инструментального материала в обрабатываемом. Резкое увеличение абсолютного и относительного износов при температурах резания выше 800…850 °С позволило выдвинуть гипотезу существования диффузионного изнашивания. По этой гипотезе изнашивание инструмента при температурах выше 800…850 °С происходит в результате диффузионного растворения инструментального материала в обрабатываемом. Исследования диффузии в твердых телах показали, что в металлах способны диффундировать те элементы, которые в них растворяются.
Следует иметь в виду, что диффузионный износ зависит не только от непосредственного переноса атомов инструментального материала в деталь и стружку. При диффузионном износе происходит также разрушение контактных слоев инструмента, ослабленных диффузионными процессами, происходящими в этих слоях (включая фазовые превращения, разупрочнение и пр.). Следовательно, имеют место два процесса (диффузионное растворение и разрушение ослабленной диффузионными процессами поверхности), которые конкурируют в диффузионном износе.
Надо отметить, что интенсивность протекания диффузионных процессов заметно уменьшается при применении инструментальных материалов, химически инертных по отношению к обрабатываемому металлу, и увеличивается с ростом температуры в зоне резания (рис. 155). Возможность протекания диффузионного процесса между инструментом и стружкой и деталью основывается на параболическом законе роста диффузионного слоя,
278
по которому в начальный период диффузии скорость растворения чрезвычайно велика, после чего с течением времени эта скорость резко уменьшается. В процессе резания с контактными поверхностями инструмента вступают в соприкосновение все новые участки стружки и поверхности резания, в результате чего постоянно поддерживается весьма высокая скорость растворения, свойственная начальному периоду диффузии.
Различные компоненты твердого сплава диффундируют в обрабатываемый материал с различной скоростью. Наиболее быстро диффундирует углерод, медленнее – вольфрам, кобальт и титан. В результате неодинаковой скорости растворения между инструментом, стружкой и поверхностью резания образуется три диффузионных слоя. Наиболее удаленным от контактных поверхностей является
науглероженный слой; под ним лежит слой белого цвета, представляющий собой твердый раствор углерода и вольфрама или углерода, вольфрама и титана в -железе. Третий слой является интерметаллидом в виде железовольфрамового или более сложного карбида. Структурные превращения в этом слое, лежащем на границе раздела твердого сплава и обрабатываемого материала, происходят в результате обеднения контактных поверхностей инструмента углеродом и диффузии в твердый сплав железа из обрабатываемого материала.
По сравнению с основным массивом твердого сплава третий слой является более хрупким и разупрочненным, что приводит к срезу с контактных поверхностей инструмента слоев инструментального материала движущимися стружкой и поверхностью резания. Таким образом, в общем случае изнашивание твердосплавного инструмента происходит вследствие собственно диффузионного растворения и диспергирования разупрочненных контактных поверхностей.
279
При резании инструментами из однокарбидных сплавов в изнашивании в той или иной степени участвуют оба указанных процесса. Изнашивание же инструментов из двухкарбидных сплавов происходит несколько иначе. Титановольфрамовые карбиды в обрабатываемом материале растворяются значительно медленнее, чем вольфрамовые. Поэтому на контактных поверхностях образуются выступы не полностью растворившихся зерен титановольфрамовых карбидов. Контактные слои стружки и поверхности резания заполняют обрабатываемым материалом впадины между зернами, создавая очаги застоя, что увеличивает время диффузии и замедляет диффузионное растворение. Поэтому при высоких скоростях (температурах) резания двухкарбидные сплавы имеют большую износостойкость, нежели однокарбидные. При температурах же резания, при которых диффузионное растворение еще не происходит (Т < 800 °С), износостойкость однокарбидных твердых сплавов мало отличается от износостойкости двухкарбидных, а иногда и превосходит ее. Интенсивность протекания диффузионных процессов заметно уменьшается при применении инструментальных материалов, химически инертных по отношению к обрабатываемому материалу.
Окислительное изнашивание. Гипотеза окислительного из-
нашивания основывается на известном факте коррозии твердых сплавов при нагреве их в среде кислорода и отсутствии изменения свойств поверхностных слоев сплавов при нагреве их в инертных газах (аргон, азот, гелий). Окисление может служить как защитой от интенсивного износа, так и причиной интенсивного износа; все зависит от того, какие образуются окислы. В ряде случаев окислы приводят к довольно сильному повышению стойкости инструмента, о чем свидетельствуют данные экспериментальных исследований процесса обработки конструкционной стали при t = 2 мм; S = 0,2 мм/об; V = 120 м/мин (табл. 18).
Применение аргона, гелия, азота существенно уменьшает интенсивность изнашивания инструмента. Наиболее сильными защитными свойствами обладает гелий, затем аргон и азот. Однако влияние газовой среды заметно только при температурах резания,
280