3.4.1. Износ и стойкость режущих инструментов

Потеря режущей способности РИ вызывается: изнашиванием или истиранием контактных поверхностей на рабочих площадках РИ; выкрашиванием мельчайших частиц на режущей кромке, которое ха­рактерно для инструментов из более хрупких материалов. Основной причиной затупления РИ при нормальных условиях работы является износ в результате истирания их рабочих поверхностей. В зависимо­сти от режимов резания, свойств обрабатываемого материала, усло­вий охлаждения и других факторов превалирующее истирание кон­тактных площадок может быть: по задней поверхности (рис. 3.46, а); передней поверхности (рис. 3.46, б); одновременно по задней и перед­ней поверхностям (рис. 3.46, в).

Превалирующий износ по задней поверхности обычно наблюда­ется при обработке сталей с малой толщиной среза (не более 0,15 мм) и низкими скоростями резания, а также при обработке чугуна. Объяс­няется это следующим: 1) при малых толщинах среза радиус округле­ния режущей кромки соизмерим с толщиной среза; 2) при тонкой стружке возрастает относительное значение упругой деформации по­верхностного слоя (h_упр); 3) путь трения по задней поверхности боль­ше, чем по передней (из-за наличия усадки стружки) [78].

Чтобы восстановить режущую способность РИ, его необходимо переточить [78]. Для каждого РИ имеется определенная зона стачива-

78

Рис. 3.47. Зоны стачи­вания

Рис. 3.46. Виды лимитирующего износа режущего инструмента

ния, на которой можно производить переточку. На рис. 3.47 пунктир­ными линиями показаны слои, удаляемые при каждой переточке. Количество переточек К, которое допускает инструмент, определяет­ся делением длины зоны стачивания на толщину снимаемого слоя металла за одну переточку. Общий срок службы инструмента рассчи­тывается по формуле

(3.35)

где —- суммарная стойкость или общий срок службы инструмента; Т — стойкость инструмента (единица в формуле соответствует заточ­ке, производимой при изготовлении нового инструмента).

Стойкость РИ — это время его работы между переточками, или стойкость РИ — это способность его сохранять свои режущие свой­ства согласно условиям технической документации.

Таким образом, оптимальным следует считать износ РИ, соответ­ствующий ординате точки А кривой износа, с которой начинается резкое нарастание его величины, когда наступает катастрофический износ (участокIII, рис. 3.48). На участке I происходит соответственно приработка инструмента, а участок II соответствует его нормальному износу.

Затупление, или степень износа, инструмента может ограничи­ваться требованиями обеспечения необходимой шероховатости и точности обработанной поверхности. В этом случае степень затупле­ния РИ характеризуется технологическим критерием. Так, при изно­се резца по задней поверхности на некоторую величину hз (рис. 3.49) ухудшается шероховатость обработанной поверхности и, кроме того, наблюдается увеличение диаметра обработанной детали на удвоен­ную величину радиального износа h_r.

79

Рис. 3.48. К определению величи­ны оптимального износа

Рис. 3.49. Изменение размеров обрабо­танной детали при наличии радиально­го износа резца

Стойкость РИ, соответствующая некоторой величине радиально­го износа, называется размерной стойкостью. Высокую размерную стойкость должны иметь РИ, предназначенные для чистовой или окончательной обработки, а также РИ, устанавливаемые на автома­тизированных станках и автоматических линиях.

Процесс изнашивания РИ имеет следующие особенности: 1) вы­сокая твердость инструментального материала по сравнению с обра­батываемым; 2) большие удельные давления на инструмент; 3) высо­кая температура контакта трущихся поверхностей инструмента и де­тали; 4) постоянное обновление трущихся поверхностей и удаление продуктов износа [77].

Существует несколько гипотез процесса изнашивания РИ [78]. Согласно абразивно-молекулярной гипотезе, различные структур­ные составляющие обрабатываемого материала с точки зрения их участия в процессе изнашивания инструментов из быстрорежущей стали могут быть разделены на две группы.

1. Цементит и избыточные карбиды легирующих элементов. Из­ нос РИ происходит в результате абразивного действия этих состав ляющих на материал инструмента. Это действие усиливается из-за высокой температуры резания, в результате которой твердость инст­ рументального материала снижается.

2. Феррит и аустенит. Износ инструмента является следствием молекулярного сцепления (адгезии), приводящего к образованию «мостиков» схватывания между материалом детали и РИ. В результате этого взаимодействия происходит отрыв мельчайших частиц материала инструмента и постепенный его износ.

Поскольку в обрабатываемом металле имеются феррит и цемен­тит, или аустенит и карбиды, при изнашивании инструментов всегда действуют оба процесса, т. е. наблюдается как абразивное, так и моле­кулярное изнашивание. Интенсивность его зависит от различного соотношения между структурными составляющими, а также от фор

мы и величины частиц цементита или карбида. Между силами трения обрабатываемого материала о контактные поверхности зубьев РИ и интенсивностью изнашивания этих поверхностей нет соответствия. В ряде случаев при малых силах трения износ больше. Это можно объ­яснить абразивным действием острых частиц твердого цементита на материал инструмента: чем они острее и легче «режут», тем меньше сила трения. Однако износ инструмента при этом будет больше.

Процесс износа РИ из твердых сплавов, работающих при высоких скоростях резания, значительно сложнее. Основную роль в износе передней поверхности таких инструментов играют явления диффузи­онного растворения зерен карбидов вольфрама в стальной стружке. Протекание диффузионного процесса обусловлено высокими темпе­ратурами контактных слоев (900...1200 °С). Наряду с диффузионным твердые сплавы подвергаются также молекулярному и абразивному износам. Молекулярный износ в результате адгезии между твердым сплавом и обрабатываемым металлом наблюдается при температурах контактных поверхностей ниже 900 °С.

Абразивный износ заключается в воздействии цементита и карби­дов обрабатываемого материала только на мягкую составляющую твердого сплава — цементирующую кобальтовую связку. В резуль­тате ее износа зерна карбидов вольфрама и титана как бы оголяются и облегчается их удаление из связующего материала. Диффузионные процессы играют главную роль в износе передних поверхностей твер­досплавных РИ, работающих с высокими скоростями резания. Моле­кулярный и абразивный виды износа обычны при сравнительно не­высоких скоростях, а следовательно, и при сравнительно невысоких температурах резания. Чаще всего эти явления наблюдаются при на­личии износа инструмента по задним поверхностям.

3.4.2. Стойкость режущих инструментов и допускаемая ими скорость резания

Стойкость РИ и процесс изнашивания связаны между собой. Чем больше интенсивность изнашивания, тем меньше стойкость. По­следняя служит количественным выражением интенсивности изна­шивания РИ. Стойкость изменяется в зависимости от условий реза­ния, т. е. режимов резания, геометрических параметров режущей час­ти РИ, применяемой СОЖ и т. д. Одним из основных факторов, опре­деляющих стойкость РИ, является скорость резания. Уровень скорости резания влияет на стойкость инструмента постольку, по­скольку в зависимости от скорости изменяется температура в зоне ре­зания [30, 78].

81

Рис. 3.50. Зависимость износа режущего ин­струмента от времени его работы

Рис. 3.51. К анализу зави­симости 7" = /(v)

Но τ= Т, тогда

Обозначим

(3.38)

Чтобы получить график зависимости Т =f(v) для определенного РИ, его изнашивают до полного затупления при выбранных услови­ях. При этом все условия сохраняются постоянными, за исключени­ем v. Затем строят графики зависимости износа от времени резания hз = =f(T) (рис. 3.50).

По этим графикам находят соответствующие значения T при пре­дельном износе hз =∆ и строят кривые Т =f(v) или v = f(T). Как вид­но, чем больше величина скорости резания (v₄> v ₃ > v ₂> v₁), тем меньше стойкость инструмента. Если получить зависимости T=f(v) в широком диапазоне скоростей при малой толщине среза (при ма­лых подачах), обнаруживается, что стойкость с повышением скоро­сти v увеличивается до определенного значения (рис. 3.51). При ка­ком-то максимальном значении стойкость уменьшается. Такой горбообразный вид кривых v = f(T) особенно характерен для обработки твердыми сплавами. При увеличении толщины среза (подачи) вся кривая v = f(T) как бы сдвигается влево (пунктирная кривая), мини­мум Б исчезает и обнаруживается только ветвь АА [78].