Процессы резания (ТКМ в электронном виде), страница 6

Силы молекулярного сцепления (силы адгезии) не всегда играют главную роль в процессе износа инструмента. Во многих случаях серьезную роль в износе инструмента играет и явление царапания поверхности инструмента твердыми частицами, имеющимися в составе некоторых обрабатываемых металлов. Так, например, самый распространенный материал машиностроения – сталь – металл неоднородный: она состоит из зерен, обладающих различными свойствами. В структуре многих сталей имеются зерна цементита, представляющего собой химическое соединение углерода с железом. Для цементита характерна исключительно высокая твердость, и его зерна отличаются абразивным действием, т.е. способностью царапать инструмент, срезая с его поверхности микроскопические стружки.

Таким образом, износ металлорежущего инструмента происходит под влиянием сил молекулярного сцепления обрабатываемого металла с поверхностью режущей части инструмента и абразивного действия твердых частиц, имеющихся в структуре обрабатываемого материала.

Химический состав и физико-механические свойства поверхностных слоев инструмента при этом изменяются, износостойкость их снижается, интенсивность износа повышается.

Износ инструмента по передней поверхности. При обработке деталей из сталей и других пластичных материалов наибольшие давления стружки и температура устанавливаются на некотором расстоянии от режущей кромки, которое увеличивается с увеличением толщины среза, скорости резания и с уменьшением переднего угла (рис.16).

В точке С, называемой центром давления стружки, и начинается износ передней поверхности. Через очень непродолжительное время образуется небольшое углубление, называемое лункой. Степень износа передней поверхности характеризуется глубиной h и шириной В лунки.

По мере износа лунка увеличивается по глубине и ширине, и ее край приближается к режущей кромке. При этом увеличение ширины лунки в сторону режущей кромки происходит значительно медленнее, чем в противоположную сторону. После того как край лунки достигает режущей кромки, инструмент очень быстро тупится.

Если измерять глубину лунки через равные промежутки времени и полученные результаты нанести на график, то получим кривую, характеризующую износ передней поверхности (Рис.17).

Вначале износ происходит быстро и кривая на графике поднимается круто. Это – так называемый период начального износа I. Он продолжается не долго.

Затем наступает период нормального износа II, в течение которого износ инструмента происходит значительно медленнее, чем в период начального износа. Подъем, кривой на графике уменьшается, что говорит о снижении интенсивности износа. Обычно период нормального износа занимает 90-95% всего времени работы инструмента от заточки до заточки (от точки А до точки В).

После этого наступает очень кратковременный период усиленного износа III. Здесь за небольшой отрезок времени износ резко увеличивается. Скорость его на этом отрезке времени очень высока, о чем говорит кривая на данном участке графика.

Износ инструмента на задней поверхности. Одновременно с износом по передней поверхности, наблюдается износ и по задним поверхностям инструмента. Более того, наибольшее количество металлорежущих инструментов изнашивается только по одним задним поверхностям, как например протяжки, фрезы, метчики, развертки, чистовые резцы и очень большое количество других металлорежущих инструментов. Эти инструменты, как правило, по передней поверхности не изнашивается.

В результате износа задней поверхности около самой режущей кромки образуется площадка с задним углом , равным 0. Степень износа задней поверхности характеризуется шириной этой площадки износа (Рис.18).

Почти в течение всей работы инструмента ширина площадки износа равномерно увеличивается, и только в самом конце наблюдается очень быстрое течение износа. За весьма непродолжительный отрезок времени ширина площадки увеличивается в несколько раз.

Течение износа задней поверхности несколько отличается от течения износа передней поверхности. Здесь нет отчетливо выраженного периода начального износа.

Для примера приведем результаты наблюдения за износом цилиндрической фрезы в одном из опытов проф. М. Н. Ларина при обработке стали марки 45. В течение 125 мин работы ширина площадки износа на задних поверхностях фрезы достигла 0,8 мм. Это был период нормального износа. После 125 мин. непрерывной работы наступил период усиленного износа. За 10 мин. износ, т.е. ширина площадки на задней поверхности, вырос на 1,6 мм, что в 2 раза превышает всю величину износа за 125 мин. работы фрезы. Таким образом, интенсивность износа возросла более чем в 25 раз.

Влияние режима резания на интенсивность износа инструмента. Чем дольше работает инструмент, тем больше его износ. Отношение величины износа ко времени работы инструмента показывает интенсивность износа. Так, например, если за 30 мин работы износ задней поверхности первой фрезы достиг величины, равной 0,6, а второй фрезы – 0,3мм, то, следовательно, первая фреза изнашивалась в 2 раза быстрее, чем вторая.

Интенсивность износа каждого инструмента зависит от свойств самого инструмента, от геометрии его режущей части и, конечно, от режима резания, т.е. от скорости резания, толщины и ширины среза. Если измерить износ через равные промежутки времени, работая при различных скоростях резания, и результаты измерений нанести на график, а точки, соответствующие равным скоростям резания, соединить плавной кривой, то увидим, что чем больше скорость резания, тем выше будет лежать кривая износа и тем круче будет ее подъем, что свидетельствует о более быстром истирании инструмента.

С увеличением толщины и ширины среза износ инструмента также ускоряется, но в меньшей степени. В подтверждение этой закономерности приведем следующий пример. Проф. А. М. Даниелян, испытывая резцы из твердого сплава, наблюдал, что при увеличении скорости резания на 20% задняя поверхность резца изнашивается в 3,5 раза быстрее, а при увеличении подачи (толщина среза) на 20% - в 1,7 раза. Увеличение же глубины резания на 20% сопровождалось ускорением износа резца только в 1,05 раза.

Приведенный пример показывает, что наибольший эффект можно получить не от увеличения скорости резания, а от увеличения ширины или толщины среза.

Почему же скорость резания намного сильнее влияет на износ инструмента, чем подача и глубина резания или толщина и ширина среза? Главная причина этого состоит в различном влиянии элементов режима резания на температуру инструмента. Скорость резания дает более резкое повышение температуры, чем толщина или ширина среза, следовательно, ее увеличение и сопровождается более сильным ускорением износа инструмента.

Виды износа инструмента. В зависимости от свойств материала обрабатываемой детали, скорости резания, толщины среза, переднего угла и условий работы инструмента возможны три вида износа: износ по одной передней поверхности, по одной задней поверхности, по передней и задней поверхностям одновременно. (Рис. 19)

При обработке деталей из чугуна и других хрупких металлов имеет место второй вид износа, т.е. инструмент изнашивается только по задней поверхности. Это объясняется тем, что стружка хрупкого металла давит на переднюю, поверхность у самой режущей кромки, в самом начале своего образования рассыпается, и, двигаясь по передней поверхности, не оказывает на нее заметного давления. В результате происходит чисто механическое истирание задней поверхности инструмента. Этому сильно способствуют твердые частицы цементита, входящие в состав чугуна. Они царапают заднюю поверхность, как зерна абразива.

При обработке деталей из пластичных металлов, к числу которых относится и сталь, возможны, все виды износа. В этом случае вид износа зависит от скорости резания, переднего угла, толщины среза, охлаждения и некоторых других факторов.

Влияние толщины среза на вид износа инструмента. При обработке деталей из пластичных металлов образуется нарост. Когда толщина среза велика, то и нарост соответственно имеет большую высоту, а его вершина далеко выдается за режущую кромку, устраняя контакт задней поверхности с поверхностью резания, и тем самым предохраняет эту поверхность от износа. Поэтому вполне понятно, что при таких условиях будет изнашиваться только передняя поверхность.

С уменьшением толщины среза высота нароста становится меньше, и, как показывает опыт, при < 0,5 мм нарост уже не может надежно защищать заднюю поверхность износа. В результате происходит третий вид износа – износ по задней и передней поверхностям одновременно. При очень малой толщине среза ( < 0,1 мм) нарост имеет очень незначительную высоту, а давление стружки концентрируется на поверхности закругления режущей кромки. Вследствие этого имеет место второй вид износа, т.е. только по одной задней поверхности.

Влияние скорости резания на вид износа инструмента. Интенсивность износа любой пары трущихся поверхностей зависит от скорости трения. Чем выше скорость трения, тем больше интенсивность износа.

Скорость трения на задней поверхности инструмента, равна скорости резания. Скорость же трения на передней поверхности вследствие усадки стружки, равной К, меньше скорости трения. Т. е. при низкой скорости резания, когда усадка стружки К велика, скорость резания в несколько раз выше скорости трения, поэтому задняя поверхность изнашивается значительно быстрее. В то время как износ задней поверхности доходит до максимально допустимой величины, передняя поверхность еще не успевает заметно износиться. Поэтому при низких скоростях резания, затупление и характеризуется износом задней поверхности.

С увеличением скорости резания повышается контактная температура стружки и передней поверхности, что приводит к более интенсивному износу последней.

Если же работа ведется на высоких скоростях резания и толщина среза больше 0,1 мм, то износ обнаруживается и на передней, и на задней поверхностях одновременно.

Влияние переднего угла на вид износа. При увеличении переднего угла снижается сила давления стружки на переднюю, поверхность инструмента и интенсивность износа, т. е. глубина и ширина лунки растут медленнее. Если передний угол = 45 , то независимо от скорости резания, толщины среза и других факторов затупление инструмента, как правило, будет происходить в результате износа одной задней поверхности.

Оптимальный износ инструмента. Расход режущего инструмента и качество обработки в большой степени зависят от величины его затупления. Поэтому одним из важнейших условий рационального использования инструмента является соблюдение рациональных норм его износа.

При каждой заточке стачивается определенный слой материала инструмента. Чем больше износ инструмента, тем больше толщина стачиваемого слоя, тем меньшее количество переточек выдерживает инструмент.

Количество переточек, допустимое инструментом, равно

НЕ ХВАТАЕТ ФОРМУЛЫ

где М – величина допустимого стачивания инструмента,