И деформации инструмента

О природе явлений, приводящих к изнашиванию

В различных условиях резания изнашивание инструмента может иметь различные механизмы. К ним относятся: пластические деформации инструментального материала при высокой температуре, адгезионное взаимодействие между инструментальным и обрабатываемым материалами (адгезионное изнашивание), диффузионное растворение инструментального материала в обрабатываемом (диффузионное изнашивание), абразивное и окислительное изнашивания, образование усталостных трещин и разрушение.

Пластические деформации инструментального материала при высоких температурах приводят к изменению формы режущего лезвия и в конечном счете могут отразиться на работоспособности инструмента. Отличие от износа состоит в том, что при пластических деформациях инструмента не происходит удаления инструментального материала. Имеются также данные о том, что пластическое состояние инструментального материала способно резко интенсифицировать процессы изнашивания инструмента. При возникновении больших пластических деформаций говорят о потере формоустойчивости режущего лезвия. При расчете рациональных режимов резания целесообразно исключить область режимов, в которой инструмент теряет формоустойчивость.

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. Прочность новых межмолекулярных связей может быть выше прочности обрабатываемого материала. В этом случае на поверхности инструментального материала остается тонкая пленка из обрабатываемого материала и в дальнейшем происходит схватывание нижнего слоя движущейся стружки с образовавшейся пленкой обрабатываемого материала. При контакте одноименных материалов схватывание начинается при температурах, близких к температуре рекристаллизации (0,3–0,4) Т _пл , а при контакте разноименных – при более высокой температуре (0,35–0,5) Т _пл.

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. При относительно невысоких температурах оно заключается в отрыве более крупных частиц (конгломератов) карбидов WC, TiC и связки, с повышением температуры удаляются все более мелкие частицы.

Различные пары материалов имеют различную склонность к адгезии. С ростом температуры в области относительно низких температур уменьшается хрупкость твердых сплавов, увеличивается их сопротивление к циклическим контактным нагрузкам. При этом интенсивность адгезионного изнашивания может оставаться приблизительно одинаковой или даже уменьшаться. Однако при дальнейшем увеличении температуры уменьшается твердость инструментального материала, в результате чего интенсивность адгезионного изнашивания инструмента повышается.

Объяснения механизма изнашивания на основе явлений диффузионного растворения инструментального материала в обрабатываемом были даны Т.Н. Лоладзе [1], а также Е.М. Трентом [1]. 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. При резании с большими скоростями скорость диффузии может в течение длительного времени оставаться достаточно большой, несмотря на то, что концентрация инструментального материала в обрабатываемом при этом может быть ничтожно мала.

Различные компоненты твердого сплава диффундируют в обрабатываемый материал с различной скоростью. Наибольшую скорость диффузии имеет углерод, наименьшую – вольфрам, кобальт и титан.

Абразивный износ чаще наблюдается при работе инструментами из быстрорежущей стали, реже – при работе твердосплавными инструментами. Он обусловлен наличием в материале заготовки твердых частиц. Причиной абразивного износа могут быть заполненные песком литейные раковины.

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. Например, после нагрева твердосплавных пластин в кварцевой пробирке, помещенной в тигель с расплавленным свинцом, до температуры 900 °С при тарировании естественной термопары на поверхностях пластин образовывались непрочные окисные пленки толщиной несколько десятых долей миллиметра, которые легко удалялись простым перочинным ножом. Вероятно, по этой причине на краях контакта стружки с инструментом обычно наблюдается повышенный износ, несмотря на уменьшение толщины срезаемого слоя.

Изменение условий резания может оказывать большое влияние на характеристики изнашивания инструмента. Число факторов, характеризующих условия резания, велико. К ним относятся: параметры режима резания (скорость, глубина резания, подача), геометрические параметры режущего инструмента, прочностные и теплофизические характеристики обрабатываемого материала, свойства инструментального материала, влияние смазочно-охлаждающих жидкостей и др. В разное время различными исследователями предпринимались попытки сократить число этих факторов, заменив их меньшим числом обобщенных факторов, или комплексов. В качестве такого обобщенного фактора часто использовалась температура резания, измерявшаяся методом естественной термопары.

Однако интегральные характеристики износостойкости (путь резания до затупления, средняя интенсивность изнашивания) в общем случае не связаны со средней температурой (температурой резания). Одной из причин этого может являться изменение формы кривых износа h(L) при изменении условий резания.

Более корректным является сопоставление дифференциальных характеристик (интенсивностей изнашивания рабочих поверхностей) с соответствующими температурами при фиксированных геометрии и параметрах износа инструмента. В связи с этим изменения формы кривых износа h(L) и зависимостей интенсивностей изнашивания от параметров износа или пути резания необходимо увязывать с изменениями температуры.

При больших скоростях резания интенсивность изнашивания с увеличением скорости резания возрастает сильнее. Быстрое изнашивание инструмента ограничивает возможности увеличения скорости резания.

Некоторый достаточно высокий уровень интенсивности изнашивания задней поверхности инструмента условно может быть принят как верхний предельный. На рис. 2.37 в качестве верхнего предельного уровня для обработки никелевого сплава резцом ВК8 принята интенсивность изнашивания d^*_L1» 8×10^-6, а для обработки сталей резцом Т5К10 – d^*_L1»0,3×10^-6.

Рис. 2.37. 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 q₃ > (700–800) °С интенсивность изнашивания d^*_L3 возрастает с ростом температуры. Минимальные интенсивности изнашивания d_L0 и для обработки никелевого сплава резцами ВК8 и для обработки сталей резцами Т5К10 наблюдались при температуре q₃₀» (700–800) °С, а интенсивности изнашивания d_L1, принятые в качестве верхних уровней, соответствовали температуре q₃₁» (1150–1200) °С. В области малых температур обычно наблюдается наибольший разброс экспериментальных результатов. Поэтому в этой области точность аппроксимации результатов эксперимента эмпирической функцией невысокая. Однако, если учесть, что эта область соответствует нерациональным режимам резания, высокая точность аппроксимации в данном случае и не требуется.

Зависимость D(q) можно аппроксимировать степенной функцией

D=q_D^m. (2.87)

Функция (2.87) связывает экспериментально определяемую величину интенсивности изнашивания с расчетной температурой. Для определения интенсивности изнашивания по нормали к фаске износа инструмента необходимо значения d₃₀ и d₃₁ умножить на множитель:

, (2.88)

а при определении интенсивности изнашивания передней поверхности – в комплекс q_D подставлять температуры передней поверхности:

(2.89)

При обработке сплавов на никелевой основе увеличение температуры передней поверхности может вызвать пластические деформации режущего лезвия, рост интенсивности опускания режущей кромки d _Lп=dh_п/dL и, соответственно, уменьшение переднего угла (рис. 2.38).

Рис. 2.38. Типичная схема износа передней и задней поверхностей режущего лезвия при точении никелевого сплава

Дата добавления: 2014-01-13