Изнашивание и износостойкость режущих инструментов

Природа изнашивания. В различных условиях резания изнашивание инструмента может иметь различную физическую природу.

Пластические деформации инструментального материала происходят при высоких температурах и напряжениях в режущем лезвии. Они приводят к изменению формы режущего лезвия и могут отразиться на работоспособности инструмента. Пластическое состояние инструментального материала способно резко интенсифицировать процессы изнашивания инструмента. Характерны для обработки жаропрочных труднообрабатываемых материалов (никелевых сплавов), черновой обработки сталей с большими сечениями срезаемого слоя, для обработки закаленных сталей.

Адгезионное взаимодействие между инструментальным и обрабатываемым материалами (схватывание) проявляется в возникновении межмолекулярных связей на поверхности соприкасающихся материалов. При этом необходимо, чтобы соприкасающиеся поверхности были чистыми (без окисных пленок и т. п.) и контакт осуществлялся при высоких нормальных давлениях и температурах.

Все эти условия выполняются при резании. Движение стружки и детали относительно инструмента приводит к разрушению межмолекулярных связей и к образованию новых. Таким образом, зерна карбидов в твердых сплавах (или иные частицы инструментальных материалов) находятся под воздействием многократно повторяющихся нагрузок. В результате через некоторое время достигается предел усталостной прочности и происходит микроразрушение частицы инструментального материала.

Объяснения механизма изнашивания на основе явлений диффузионного растворения инструментального материала в обрабатываемом были даны Т. Н. Лоладзе, а также Е. М. Трентом. В обычных условиях диффузия в металлах является весьма медленным процессом. Скорость диффузии зависит от температуры, взаимной растворимости металлов друг в друге. По данным Т. Н. Лоладзе, скорость диффузии удваивается при повышении температуры на каждые 20 °С. Поэтому предполагают, что диффузионный износ становится превалирующим при высоких контактных температурах.

Другим фактором, влияющим на скорость диффузии, является концентрация диффундирующего вещества в металле растворителе. При увеличении концентрации (для неподвижных соприкасающихся металлов – увеличении времени) скорость диффузии резко снижается.

Абразивный износ обусловлен наличием в материале заготовки твердых частиц. Интенсивность абразивного изнашивания может возрасти при окислении инструментального материала. При температурах 700–800 °С и выше кислород воздуха вступает в химическую реакцию с кобальтом и карбидами. Твердость продуктов окисления в 40–60 раз ниже твердости твердых сплавов.

Геометрия износа. Режущие инструменты изнашиваются по задним и передним поверхностям. Изнашивание задних и передней поверхностей происходит одновременно. По мере изнашивания инструмента на его задних поверхностях возникает и увеличивается фаска износа (рис. 15.1).

 

Рис. 15.1. Схема износа задних поверхностей на участке главной режущей кромки
и вблизи вершины режущего лезвия: a – в секущих плоскостях;

б – в плоскости резания

 

Ширина фаски износа используется в качестве одной из характеристик износа. Она может быть неодинаковой по длине режущих кромок. При несвободном резании очень часто наибольшая ширина фаски износа наблюдается в окрестности вершины инструмента. Отношение ширины фаски износа у вершины режущего лезвия к ширине фаски износа на главной задней поверхности характеризует неравномерность износа задних поверхностей инструмента.

Неравномерность износа задних поверхностей уменьшается при уменьшении действительных углов в плане в окрестности вершины на участке длиной (1,5–2,0) S. Это может быть достигнуто увеличением радиуса закругления вершины инструмента.

Исследования показывают, что, как правило, при r / S» 10 отношение
h _в / h ₃» 1,0.

Предельная ширина фаски износа h ₃ ^* обычно используется в качестве одного из критериев затупления инструмента.

С тангенциальным износом связана другая характеристика – нормальный износ h_n или у вершины инструмента – радиальный износ h_r (рис. 15.2):

                   (15.1)

 

 

Рис. 15.2. Схема к расчету соотношения между тангенциальным
и нормальным износами инструмента

 

Удвоенная величина радиального износа определяет погрешность обработки, связанную с износом инструмента.

С физической точки зрения использование нормального износа в качестве характеристики износа предпочтительнее, чем тангенциального (ширины фаски износа). Понятие нормального износа сохраняется и для передней поверхности инструмента. Это позволяет применить единый подход к описанию процессов изнашивания задней и передней поверхностей.        

Форма износа передней поверхности зависит от того, в каком месте происходит наибольший нормальный износ. Если наибольший нормальный износ удален от режущей кромки, то на передней поверхности образуется лунка (рис. 15.3, а).

 

 

Рис. 15.3. Схемы износа передней поверхности инструмента в виде:

a – образования лунки; б – опускания режущей кромки

 

При этом действительный передний угол увеличивается, а наибольший нормальный износ характеризует глубину лунки. Если же преобладают пластические деформации и максимальный нормальный износ передней поверхности происходит вблизи режущей кромки, то наблюдается округление и опускание режущей кромки, вследствие чего действительный передний угол режущего лезвия уменьшается (рис. 15.3, б).

Характеристики изнашивания. Процесс изнашивания инструмента может быть охарактеризован изменением характеристик износа инструмента (h ₃, h_n) в зависимости от пути L резания. В простейшем частном случае зависимости h (L) могут быть линейными, однако в общем случае параметры износа нелинейно изменяются с ростом пути резания (рис. 15.4).

 

Рис. 15.4. Различные зависимости характеристик износа инструмента от пути резания: 1 – линейная; 2 – выпуклая; 3 – вогнутая; 4 – типичная кривая с выпуклым,

линейным и вогнутым участками

 

Производные от параметров износа по пути резания в каждый конкретный момент времени резания (или при конкретном значении пройденного пути резания) называют интенсивностями изнашивания поверхностей инструмента:

                                    (15.2)

Изменение условий резания может оказывать большое влияние на характеристики изнашивания инструмента. Число факторов, характеризующих условия резания, велико. В качестве такого обобщенного фактора часто использовалась температура резания, измерявшаяся методом естественной термопары.

Интенсивности изнашивания рабочих поверхностей зависят от соответствующих температур при фиксированных геометрии и параметрах износа инструмента, а при наличии пластических деформаций режущего лезвия – от температуры режущего лезвия (температуры формоустойчивости) и напряжения.

Некоторый достаточно высокий уровень интенсивности изнашивания задней поверхности инструмента условно может быть принят как верхний предельный. На рисунке 15.5 в качестве верхнего предельного уровня для обработки никелевого сплава резцом ВК8 принята интенсивность изнашивания
d ^* _{3 1}» 0,8×10^–6, а для обработки сталей резцом Т5К10 – d ^* ₃₁»0,3×10^–6.

 

Рис. 15.5. Зависимости интенсивностей изнашивания задней поверхности
от температуры этой поверхности при точении никелевого сплава ЭИ698 ВД
резцом ВК8 (кривая 1) и сталей резцом Т5К10 (кривая 2)

 

В диапазоне изменения температуры задней поверхности q ₃ > (700–800) °С интенсивность изнашивания d ^* _{L 3} возрастает с ростом температуры. Минимальные интенсивности изнашивания d _{L 0} и для обработки никелевого сплава резцами ВК8, и для обработки сталей резцами Т5К10 наблюдались при температуре q ₃₀ » (700–800) °С, а интенсивности изнашивания d _{L 1},принятые в качестве верхних уровней, соответствовали температуре q ₃₁» (1150–1200) °С.

Критерии затупления инструмента. Характеристики износостойкости инструмента определяются при достижении одним или несколькими параметрами износа предельных значений – критериев затупления по задней h ₃ ^* либо передней h_n ^* поверхностям. В качестве критериев затупления могут использоваться и другие прямые или косвенные характеристики износа, например: изменение переднего угла , достижение некоторого предельного уровня шероховатости обработанной поверхности, интенсивности изнашивания инструмента и т. д.

Характеристики износостойкости инструмента. Имея зависимости параметров износа от пути резания (кривые износа) h (L),можно определить интенсивности изнашивания d _{L 3} (L) иd _Ln (L) графическим дифференцированием.

Одной из характеристик износостойкости является путь резания L ^*. Большему пути резания, пройденному до достижения критерия затупления, соответствует более высокая износостойкость инструмента.

С практической точки зрения во многих случаях удобнее использовать не путь резания L ^*, а связанное с ним время работы инструмента до достижения одного из критериев затупления. Это время называют стойкостью Т (или периодом стойкости) инструмента. При резании с постоянной скоростью v стойкость Т = L ^* /  v.

Кроме стойкости T, пути резания L ^* в качестве характеристики износостойкости применяют также площадь обработанной поверхности F ^* = L · S = vST.

Путь резания L ^*, стойкость T, площадь F ^* обработанной до затупления поверхности и средние интенсивности изнашивания d _3ср, d _{п ср} являются интегральными характеристиками: они зависят от изменения скорости резания, интенсивностей изнашивания инструмента и критериев затупления. В связи с этим при задании характеристик износостойкости необходимо указывать критерии затупления, которым они соответствуют.

Износостойкость инструмента является одним из наиболее важных его качеств. Чаще всего уровни стойкости T либо площади обработанной поверхности F ^* задают в качестве требований к инструменту на основании технологических ограничений или экономической целесообразности. Эти требования к износостойкости инструмента учитываются при выборе марки инструментального материала, расчете допускаемых режимов резания и назначении рациональных геометрических параметров инструмента.

 

15.2. Обрабатываемость материалов, характеристики

обрабатываемости

В широком смысле обрабатываемость характеризует совокупность качеств материалов, определяющих производительность обработки резанием. Полное исследование обрабатываемости материала включает определение оптимальных марок инструментального материала применительно к различным способам обработки резанием, оптимальных геометрических параметров режущих инструментов, составов смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), установление зависимостей сил резания, стойкости инструмента, шероховатости обработанной поверхности от условий резания, установление оптимальной термической обработки материала или даже способов легирования материала с целью повышения показателей обрабатываемости.

В более узком смысле под обрабатываемостью понимают соотношения между скоростями, соответствующими фиксированной стойкости инструмента, при обработке различных материалов. В этом смысле большое значение имеет установление зависимости допускаемой скорости резания от прочностных, теплофизических характеристик обрабатываемого материала.

Эмпирическое определение стойкости инструмента по критерию затупления основано на осреднении интенсивности изнашивания инструмента за период стойкости. Эмпирические зависимости стойкости Т от скорости резания v впервые были использованы для назначения рациональной скорости резания Ф. Тейлором. Опыты проводились при различных, но постоянных в течение всего периода стойкости скоростях резания. Результаты эксперимента аппроксимировались степенной функцией, так называемым уравнением Тейлора:

Tv^m = C.                                                (15.3)

График функции (15.3) в координатах с логарифмическими шкалами представляет собой прямую линию lg T + m lgv = lg C.

Степенные функции (15.3) нашли широкое практическое применение благодаря простоте степенных функций, возможности графической обработки результатов эксперимента и минимизации при этом относительных ошибок аппроксимации во всем диапазоне изменения стойкости. На основе использования степенных функций разрабатывались нормативы режимов резания.

Считается, что степенные функции хорошо аппроксимируют результаты эксперимента при резании сталей в области высоких скоростей резания, т. е. таких скоростей, при которых температура резания приближалась к предельным значениям, характеризующим теплостойкость инструментального материала.

Уравнение (15.3) используется для определения скорости резания v_T по заданной стойкости инструмента:

                                              (15.4)

Сопоставление скоростей v_T дляразличных материалов при прочих равных условиях резания используется для характеристики обрабатываемости материалов. В связи с этим скорости резания, допускаемые износостойкостью инструмента, относят к характеристикам обрабатываемости материалов.

Во избежание катастрофического износа и поломок инструмента в связи с пластическими деформациями режущего лезвия необходимо использовать в качестве критериев выбора допускаемой скорости резания интенсивности изнашивания поверхностей инструмента.

Скорости резания, соответствующие конкретному уровню интенсивности изнашивания поверхностей инструмента, будем обозначать v _d, в частности верхнему уровню интенсивности изнашивания соответствуют наибольшие целесообразные скорости v ₁, а нижнему (минимальному) уровню – минимальные целесообразные скорости v ₀ (рис. 15.6).

Рис. 15.6. Схема к определению минимальной целесообразной скорости резания
по графику T (v) в координатах с логарифмическими шкалами

 

Работа со скоростями резания, меньшими, чем v ₀,нецелесообразна,так как при этом не только уменьшается производительность обработки, но и возрастает расход режущего инструмента.

Одним из недостатков уравнения Тейлора является несоответствие расчетных значений стойкости, экстраполированных на малые скорости резания, фактическим. При уменьшении скорости резания графики зависимостей стойкости от скорости в координатах с логарифмическими шкалами не являются прямыми линиями. С практической точки зрения представляет интерес уменьшение скорости резания лишь до минимальной целесообразной скорости v ₀, при которой достигаются минимальная средняя интенсивность изнашивания и соответственно максимальный путь резания L ^* _max:

L ^* = vT = max при T = T (v).                             (15.5)

В координатах с логарифмическими шкалами соответствующие максимальному пути резания минимальная целесообразная скорость резания v ₀ истойкость T ₀ определяются точкой касания прямой линии с углом наклона 135º к графику T = T (v) (рис. 15.6).

Эти скорости называются оптимальными (по критерию износостойкости инструмента).

Кроме перечисленных выше понятий скорости резания используется понятие скорости v _q, соответствующей постоянной температуре.

Скорости резания v_T, v_F, v _{d ср} соответствуют интегральным характеристикам износостойкости (стойкости, площади обработанной поверхности и средней интенсивности изнашивания инструмента), а скорости v _d, v ₁ и v ₀ соответствуют фиксированным интенсивностям изнашивания рабочих поверхностей инструмента, скорость v _кр соответствует потере формоустойчивости режущего лезвия.

Обрабатываемые материалы обычно делят на группы обрабатываемости. В пределах каждой группы материалы имеют близкие химический состав, структуру, теплофизические характеристики. Влияние этих факторов на допускаемые скорости резания учитывается эмпирическими константами, постоянными или мало изменяющимися в пределах одной группы обрабатываемости.

15.3. Назначение режимов резания и параметров инструмента

при обработке резанием

Обработку резанием условно разделяют на черновую и чистовую.

Черновая обработка производится с целью удаления излишнего припуска или дефектного поверхностного слоя материала, образующегося при получении заготовки методами литья, давления, сварки или после термообработки.

К чистовой обработке обычно относят лезвийную обработку, определяющую окончательные геометрические размеры, форму и качество обработанной поверхности (поверхностного слоя). При этом достижение желаемого результата зависит от припуска на обработку и его колебаний, жесткости и точности станка, технологических приспособлений, марки и геометрических параметров режущего инструмента, режима резания, а также применения смазочно-охлаж­дающих жидкостей (технологических сред).

Выбор инструментального материала. Учитывая, что при черновой обработке имеют место значительные колебания припуска и сил резания, а при наличии литейной корки – и твердые включения в виде песка, в качестве инструментального материала для черновых (обдирочных) инструментов применяют наиболее прочные, но несколько менее износостойкие твердые сплавы. При черновой обработке сталей на ферритной основе чаще всего используют титановольфрамокобальтовый твердый сплав Т5К10 (Р30–Р40). Альтернативой сплаву Т5К10 могут быть более износостойкие, но менее прочные сплавы ТТ20К9 (Р25), Т14К8 (Р20) и при спокойных условиях работы – Т15К6 (Р10). Для тяжелых условий работы с ударами вместо сплава Т5К10 может быть применен менее износостойкий, но более прочный сплав ТТ7К12 (Р50). При точении никелевых, титановых сплавов, аустенитных сталей применяют вольфрамокобальтовый сплав ВК8 или ВК8М (К30).

Для чистовой обработки применяют более износостойкие, но менее прочные инструментальные материалы.

Для точения сталей на ферритной основе, не прошедших термообработку, применяются твердые сплавы Р01–Р10 (Т30К4, Т15К6). Сплав Р10 применяют для получистовых режимов и несколько более толстых срезов. Для чистовой обработки закаленных сталей применяют сплав Т15К6, оксидную минералокерамику (ВОК60 и др.), сверхтвердые материалы на основе кубического нитрида бора. При обработке жаропрочных сплавов на никелевой основе лучшие результаты показали мелкозернистые сплавы (ВК10–ОМ, ВК10–ХОМ).

Все более широко применяются также инструменты с износостойкими покрытиями. Для более износостойких и хрупких инструментальных материалов, а также для режущих пластин с износостойкими покрытиями характерно применение более высокой скорости резания и меньших толщин срезаемого слоя.

Определение глубины резания. При черновой обработке минимальная глубина резания определяется глубиной дефектного слоя и погрешностями, характерными для метода получения заготовки. Для штамповки сюда следует отнести смещение поверхностей штампа и радиальное биение цилиндрических поверхностей для поковок указанных размеров нормальной точности. Кроме того, минимальный односторонний припуск поковок или отливок включает шероховатость обработанной поверхности, глубину дефектного слоя, а также погрешности установки и закрепления.

Максимальная глубина резания зависит от рекомендуемого или назначенного допуска на обрабатываемую поверхность, наличия напусков, штамповочных или литейных уклонов, а также от принятой последовательности обработки, выбранных баз, способов настройки на размер.

При чистовой обработке глубина дефектного слоя, высота микронеровностей (шероховатостей поверхности), погрешности установки, колебания обрабатываемой поверхности также имеют место, однако они, как правило, значительно меньше по величине. Поэтому глубина резания при чистовой обработке назначается минимально возможной, но не менее суммы перечисленных погрешностей.

Определение подачи, угла в плане и допуска на обработанную поверхность. На выбор подачи оказывают влияние требования к шероховатости и точности обработанной поверхности, к износостойкости режущего инструмента и др.

Шероховатость поверхности при черновой токарной обработке зависит в основном от геометрических факторов и приближенно может быть оценена по формуле Чебышева

                                               (15.6)

В частности, при S = 0,6 мм и r = 1,2 мм мкм.

Кроме того, для обеспечения равномерности износа при вершине должно выполняться соотношение .

Выбор рациональных форм и геометрических параметров режущих лезвий инструмента. Для устранения неравномерности износа могут быть введены зачищающая и переходная режущие кромки. Такая форма вершины в плане особенно рациональна при больших подачах (рис. 15.7).

 

Рис. 15.7. Форма режущего лезвия резца для черновой обработки сталей

Длина зачищающей кромки должна быть не менее подачи: l_S» (1,1-1,2) S. Зачищающая кромка обеспечивает требуемую шероховатость обработанной поверхности и может быть либо криволинейной (радиусом ), либо прямолинейной. Для предохранения зачищающей кромки от интенсивного изнашивания перед зачищающей кромкой целесообразно затачивать переходную кромку. Длина ее l _п должна быть приблизительно равна длине зачищающей кромки, а угол в плане j _п должен находиться в пределах 5-10°.

Угол наклона режущей кромки. При крупных сечениях срезаемого слоя твердосплавную пластину располагают под углом наклона главной режущей кромки (l» 5°). Положительные углы наклона режущей кромки способствуют возникновению в режущей пластине благоприятных сжимающих напряжений, что необходимо для увеличения хрупкой прочности режущей пластины. При этом образующаяся стружка упирается в обработанную поверхность детали, что способствует стружколоманию.

Задние углы. При черновой обработке задние углы инструмента задают в пределах 6–8°. При толстых срезах, увеличенных передних углах инструмента и уменьшенных скоростях резания положительное влияние на прочность режущего лезвия и износостойкость инструмента оказывают округление режущих кромок или заточка небольшой фаски с нулевым задним углом (до 0,2–0,3 мм). Наличие фаски предварительного притупления позволяет предотвратить пластические деформации режущего лезвия.

Увеличение радиуса R благоприятно влияет не только на шероховатость обработанной поверхности, но и на интенсивность изнашивания инструмента в окрестности вершины резца.

Зачищающая кромка должна быть расположена в основной плоскости, т. е. под углом l = 0°. Это необходимо для обеспечения наименьшей шероховатости обработанной поверхности.

Переходную и главную режущие кромки целесообразно наклонить под углом l = 15° (рис. 15.8).

Другим назначением указанных различных углов наклона главной и зачищающей кромок является отвод стружки от обработанной поверхности и ее завивание.

Увеличение подачи при обработке конкретной поверхности с заданной площадью уменьшает путь резания и, соответственно, не требует малых интенсивностей изнашивания. Поэтому во многих случаях чистовая обработка с увеличенными подачами благоприятно сказывается на точности и качестве обработанной поверхности.

 

Рис. 15.8. Форма режущего лезвия с криволинейной переходно-зачищающей кромкой,
различными углами наклона зачищающей и главной кромок и предварительным

притуплением задней поверхности

 

При обработке сталей выбор рациональной температуры может быть связан не только с изнашиванием инструмента, но и с требованиями к шероховатости обработанной поверхности. Среди факторов, влияющих на шероховатость обработанной поверхности, важное место занимают нарост или застойная зона на передней поверхности инструмента.

Высота застойной зоны уменьшается с уменьшением толщины срезаемого слоя и увеличением температур передней поверхности и задней поверхности вблизи режущей кромки. При этом уменьшается и шероховатость обработанной поверхности.

Таким образом, если повышение износостойкости инструмента требует уменьшения температуры и скорости резания, то уменьшение влияния застойной зоны на расчетную шероховатость требует увеличения температуры. Таким образом, оптимальными для чистового точения следует считать минимальные скорости резания и температуры, обеспечивающие требуемую шероховатость обработанной поверхности.

При назначении рациональной скорости резания на практике обычно пользуются рекомендациями, полученными эмпирически. Они могут быть представлены в виде таблиц. Проиллюстрируем сказанное практическими рекомендациями «Сандвик Коромант» (табл. 15.1 и 15.2).

Таблица 15.1