3549

физическую природу изнашивания инструментов, работающих в различных условиях. По этим гипотезам основными причинами, приводящими к изнашиванию контактных поверхностей инструмента, являются [8, 10 и 11]:

абразивное действие, оказываемое обрабатываемым материалом (абразивное изнашивание);

адгезионное взаимодействие между инструментальным и обрабатываемым материалами (адгезионное изнашивание);

диффузионное растворение инструментального материала в обрабатываемом (диффузионное изнашивание);

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

3.4.1. Абразивное изнашивание

При трении поверхности резания о задние поверхности и при трении стружки о переднюю поверхность инструмента твердые микрокомпоненты материала обрабатываемой детали царапают материал инструмента, постоянно разрушая его. 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

110

химически активных средах (например, в четыреххлористом углероде), ослабляющих сопротивляемость контактных поверхностей инструмента царапанию. Абразивное действие обрабатываемого материала становится тем сильнее, чем

меньше отношение Ни . Вследствие этого абразивное

Нм

изнашивание заметнее проявляется при работе инструментами из углеродистых и быстрорежущих сталей и в меньшей степени при работе твердосплавными инструментами, твердость которых значительно выше.

3.4.2. Адгезионное изнашивание

Более глубокое исследование этого механизма изнашивания стало возможным благодаря применению микрорентгеноспектрального анализа и электроноскопии. Микрорентгеноспектральный анализ основан на возбуждении характеристического рентгеновского излучения в анализируемом веществе электронным зондом - сфокусированным до 1 мкм пучком электронов больших энергий. Минимальное количество вещества, которое можно обнаружить указанным методом, составляет 10"12 г. Использовав микрорентгеноструктурный анализ, Г.И. Грановскому и Н.А. Шмакову удалось установить, что на контактной поверхности стружки и поверхности резания наблюдаются скопления частиц инструментального материала. Продукты изнашивания инструмента имеют различную величину (для быстрорежущих сталей дисперсионного твердения размеры по площади проекции колеблются от 1 до 100 мкм2) и распределяются весьма неравномерно с удалением друг от друга на расстоянии от нескольких мкм до 1 мм. Частицы инструментального материала расположены в местах повышенных пластических деформаций и локальных температур, о чем свидетельствуют окислы, их окружающие.

111

Воснове переноса частиц инструментального материала на стружку и деталь лежит явление адгезионного схватывания. На основании исследований, проведенных с рядом чистых металлов, 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, так и при повышенных температурах. Для наступления схватывания недостаточно только сближения поверхностей на расстояние порядка параметра кристаллической решетки. Необходимо превышение определенного для каждой пары материалов энергетического порога. Схватывание есть бездиффузионный процесс, близкий

кмартенситному или полиморфному превращению. Необходимое для схватывания энергетическое состояние может достигаться как за счет повышения температуры, так и за счет совместного пластического 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, а при контакте разноименных - при температурах, равных (0,35÷0,5) Тпл. Прочность адгезионных связей оценивают коэффициентом адгезии, представляющим собой отношение силы, необходимой для разделения контактируемых поверхностей, к величине действующей нагрузки.

Впроцессе резания между инструментом и деталью имеются условия для образования адгезионного схватывания. Фактическая площадь контакта между контактными поверхностями инструмента, стружкой и поверхностью резания составляет незначительную часть от номинальной площади контакта. При перемещении инструмента по детали происходит непрерывное разрушение и возобновление мостиков схватывания. Разрушение происходит под

112

поверхностью контакта в обрабатываемом материале детали как менее прочном из материалов контактируемой пары. По мнению Н.Н. Зорева, периодически повторяющееся схватывание 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 Н и , тем сильнее изнашивание

Н О

инструмента [10].

Специфический характер адгезионного изнашивания определяет сопротивляемость инструментальных материалов этому виду изнашивания. 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 быстрорежущих сталей, имеющих более высокую прочность и лучше сопротивляющихся циклическим нагрузкам.

По интенсивности протекания адгезионного изнашивания инструментальные материалы различно реагируют на изменение температуры резания. Относительный износ инструментов из быстрорежущих сталей, хорошо сопротивляющихся циклическим контактным нагрузкам, до температур 500°С остается почти постоянным или

113

уменьшается при увеличении температуры резания. При нагреве твердых сплавов их хрупкость уменьшается, что способствует повышению сопротивляемости 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 инструментах 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.

3.4.3. Диффузионное изнашивание

Резкое увеличение абсолютного и относительного износов при температурах резания выше 800 - 850 °С позволило Т.Н. Лоладзе 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. Возможность протекания диффузионного процесса между инструментом, стружкой и деталью основывается на параболическом законе роста диффузионного слоя, по которому в начальный период диффузии скорость растворения чрезвычайно велика, после чего с течением времени эта скорость резко уменьшается. В

114

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 [5].

Различные компоненты твердого сплава диффундируют

вобрабатываемый 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.

При резании инструментами из однокарбидных сплавов

визнашивании в той или иной степени участвуют процесс. Изнашивание же инструментов из двухкарбидных сплавов происходит несколько по-другому. 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 (9<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.

115

3.4.4. Окислительное изнашивание

Гипотеза окислительного изнашивания 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 (аргоне, азоте, гелии). Согласно этой гипотезе, при температурах резания 700 - 800 °С кислород воздуха вступает в химическую реакцию с кобальтовой фазой твердого сплава и карбидами вольфрама и титана, причем наиболее сильно окисляется кобальт. Вследствие значительной пористости металлокерамических твердых сплавов окислительным процессам подвергаются не только сами контактные поверхности инструмента, но и зерна твердого сплава, лежащие на некоторой глубине от этих поверхностей. Продуктами окисления кобальтовой фазы являются окислы Со3О4 и СоО и карбидов WO3 и ТiО2. Твердость продуктов окисления в 40-60 раз ниже твердости твердых сплавов. В результате значительного размягчения кобальтовой фазы нарушается монолитность сплава, и ослабляются связи между зернами карбидов вольфрама, титана и цементирующей связкой. Это создает благоприятные условия для выравнивания карбидных зерен силами трения, действующими на передней и задней поверхностях инструмента, и изнашивания этих поверхностей [10].

Склонность твердых сплавов к окислению определяется их химическим составом. Однокарбидные сплавы окисляются сильнее, нежели двухкарбидные. С увеличением содержания кобальта в твердом сплаве интенсивность и скорость окисления возрастают. Применение аргона, гелия, азота существенно уменьшает интенсивность изнашивания инструмента. Наиболее сильными защитными свойствами обладает гелий, затем аргон и азот. Опыты В.А. Жилина показали, что влияние газовой среды заметно только при температурах резания, не превышающих 900 °С. При более

116

высоких температурах окислительные и защитные свойства газовых сред весьма мало влияют на интенсивность изнашивания, что свидетельствует о том, что в суммарном механизме изнашивания инструмента окислительные процессы имеют существенное значение только в интервале температур 700-900 °С. Оценивая достоверность различных гипотез изнашивания инструментов, следует отметить, что только абразивное и адгезионное изнашивание получило большее экспериментальное подтверждение.

Измерение скорости резания влияет на условия трения на контактных поверхностях инструмента, так как при этом изменяются скорость относительного перемещения трущихся поверхностей, температура резания, контактные напряжения, сила и коэффициент трения. Все это сказывается на характере и интенсивности изнашивания, а поэтому влияние скорости резания на относительный износ весьма сложно и выражается экстремальной формой.

Независимо от рода обрабатываемого и инструментального материалов, кривые, выражающие изменение износа, имеют точки минимума при определенных скоростях резания. При резании резцом из стали Р10М5К25, начиная от скорости резания v = 10м/мин (θ = 505°С), интенсивность нарастания изношенной массы непрерывно уменьшается, достигая минимума при v = 18 м/мин (θ = 505°С). При дальнейшем увеличении скорости резания интенсивность нарастания изношенной массы непрерывно возрастает до полного затупления резца.

Установлено, что увеличение температуры резания поразному влияет на износостойкость инструментальных материалов. Относительный износ резца из стали Р18, Р6М5 и других мало зависит от температуры резания, если она не превышает 550 °С. Дальнейшее, даже небольшое повышение температуры вызывает резкое возрастание относительного износа. Относительный износ резца из сплава ВК8 также почти не меняется при повышении температуры до 500 °С.

117

Однако в отличие от быстрорежущей стали дальнейшее повышение температуры резания вызывает не рост относительного износа, а его уменьшение. И только при температурах, больших 750-800 °С, относительный износ начинает резко возрастать.

При температурах менее 500 °С износостойкость быстрорежущей стали Р6М5 выше, чем твердого сплава ВК8, хотя по теплостойкости быстрорежущая сталь значительно уступает сплаву ВК8. Повышенная износостойкость быстрорежущей стали в этом интервале температур объяснима более высокой ее прочностью и хорошей сопротивляемостью контактным циклическим нагрузкам.

Резкое возрастание интенсивности изнашивания быстрорежущих сталей при температурах, больших 500 °С, твердых сплавов при температурах, больших 750-800 °С, объясняется диффузионными процессами на контактных поверхностях инструментов и их интенсификацией вследствие высокой температуры, а также нарастанием термически активируемой адгезии.

3.5.Виды и критерии износа. Расчет количества переточек

исрока службы режущих инструментов

Впроцессе резания передние и задние поверхности лезвия инструментов находятся в подвижном контакте с обрабатываемым материалом. Давление на контактных площадках лезвия зависит от вида инструмента, режимов резания и свойств обрабатываемого материала и может колебаться в пределах от 2 до 70 ГПа. [4, 5].

Впроцессе эксплуатации на инструментах могут быть следующие виды износа [1 – 3]:

— износ по задней поверхности с образованием площадки износа - h3 (рис. 23, а). Этот вид износа наблюдается

уинструментов, работающих на чистовой обработке с малыми толщинами срезаемого слоя;

118

—износ по передней поверхности с образованием лунки, которая располагается от режущей кромки на величину f и имеет длину в, радиус r и глубину hл (рис. 23, б). Этот вид износа наблюдается у инструментов, работающих на черновой обработке с большими толщинами и подачами;

—износ по передней и задней поверхностям с образованием лунки и площадки износа (рис. 23, в).

Последний вид износа наиболее часто встречается при обработке в широком диапазоне режимов резания сталей и сплавов разнообразными инструментами (резцы, фрезы, сверла

идр.).

Для количественной оценки износа лезвий широко используются линейные методы измерения hл, в и других величин с применением специальной лупы или микроскопов МБИ, УМИ-I и др.

В процессе эксплуатации износ лезвий прогрессирует и может достигать значительных размеров, при которых возникают большие силы резания и температура, возможны потери размеров и их ухудшение обработанных поверхностей деталей.

Кроме этого, величина износа влияет на припуск, снимаемый при переточках, а также на общий срок службы инструмента [1,2].

На практике рекомендуется применять следующие нормативные критерии износа hз и hл:

для инструментов из быстрорежущих и углеродистых инструментальных сталей hз = 0,3 ÷1 мм и hл = 0,2 ÷ 0,4 мм;

для инструментов, оснащенных твердыми сплавами hз = 0,3 ÷ 0,5 мм и hл = 0,1 ÷ 0,2 мм;

для инструментов из алмазов, минералокерамики и СТМ hз = 0,5 ÷ 0,3 мм и hл ≤ ОД мм.

По достижении этих величин режущий инструмент

рекомендуется отправлять на переточку.

При переточках рекомендуется снимать по передней

119