Стойкость режущей кромки

13.09.2019

Определение стойкости


Под стойкостью режущего инструмента понимают период времени, в течение которого заточенная пластинка инструмента производит работу без переточки. Опыты по определению стойкости имеют особое значение как для оценки обрабатываемости резанием материала, так и для оценки степени пригодности режущего материала, и позволяют получить данные о рекомендуемых скоростях резания. Стойкость разных режущих материалов при обработке определенного материала и прочих равных условиях резания (этот случай рассматривается здесь в первую очередь) характеризует, следовательно, пригодность данных режущих материалов для соответствующего процесса резания. С другой стороны, стойкость определенного инструмента при обработке разных материалов при прочих равных условиях резания характеризует обрабатываемость резанием этих материалов. Применяя прерывистое резание (некруглых, ребристых или шлицевых валов), можно утяжелить условия испытания и приблизить к условиям работы при фрезеровании.

Практически стойкость режущего инструмента определяют опытной проточкой или другими видами обработки резанием, причем все условия резания остаются неизменными и лишь скорость резания повышают от опыта к опыту, определяя время полного износа режущей кромки при каждой из применявшихся скоростей. Этот полный износ обнаруживается у быстрорежущей стали по появлению блестящей полосы на поверхности резания, возникающей вследствие того, что притупившаяся размягченная режущая кромка инструмента уже не режет, а скользит по поверхности резания.

Зависимость стойкости от скорости резания в логарифмической системе координат представляется прямыми линиями «Т—v». Для различных поперечных сечений стружки получают семейство параллельных прямых, позволяющих определять скорости резания, отвечающие требуемым практикой производства периодам стойкости резца, например, v60, v120 и т. д. Для разных материалов, обрабатываемых одинаковым инструментом, или при одних и тех же изделиях, обрабатываемых разными режущими материалами, зависимости стойкости от скорости резания в логарифмических координатах выражаются прямыми линиями с различным углом наклона.

Прямые стойкости можно построить по двум точкам, лежащим на возможно большем расстоянии одна от другой. Построение T—v-диаграмм — трудное и дорогостоящее дело. При обработке резанием инструментом из твердого сплава, отличающегося устойчивостью структуры, как правило, не бывает внезапного выхода лезвия из строя; режущая кромка выходит из строя медленно при одновременном влиянии износа по задней грани (рябь как показатель износа) и по передней грани (лункообразование). Для определения стойкости твердого сплава чаще всего применяют поэтому так называемый метод износа лезвия, определяя увеличение ширины полосы износа на задней грани в течение опыта. Сначала износ происходит быстро, затем все медленнее; при нанесении кривых зависимости ширины полосы износа от времени в логарифмической шкале опять получается прямая (В—T-прямая). Применяя разные скорости резания, получают параллельные прямые, с помощью которых можно установить важную для производства зависимость износ — стойкость (Т'в—v-прямые, относящиеся к определенной ширине полосы износа).

В связи с длительностью испытаний на стойкость было предложено много методов кратковременных испытаний. Так например, работают твердосплавным резцом до ширины полосы износа в 0,1 мм и в результате получают так называемые кривые Т0,1—V. Сравнительно быстрое и простое измерение температуры резания также может расцениваться как кратковременное испытание. Из зависимостей температуры резания от скорости резания (кривые t—v) и стойкости от температуры резания (кривые T—t) (обе в логарифмическом масштабе) можно построить кривые T—V.

О многочисленных других методах определения периода стойкости и особенно кратковременных см. литературу.

Износ режущей кромки и его причины


В процессе обработки резанием режущая кромка изнашивается вплоть до полного затупления (конец периода стойкости). Резец может выйти из строя из-за поломки или более или менее значительного выкрошивания режущей кромки, вследствие размягчения, т. е. недостаточной красностойкости (этих явлений нет у твердых сплавов) и, наконец, вообще в результате возрастающего износа.

Формы проявления на инструменте износа и его влияние на процесс резания весьма различны. На рис. 218 схематически показаны разные формы износа режущей кромки токарного резца. Разные виды износа могут возникать раздельно или одновременно. Режущая кромка твердосплавного инструмента чаще всего выходит из строя вследствие чистого износа. Постепенное сокращение задней и передней граней доводит режущую кромку до затупления. Тщательное исследование процесса износа измерением ширины полосы износа обнаружило периодическое продвижение (каскадный износ), которое можно объяснить изменениями характерной структуры твердых сплавов.

При обработке материалов, дающих сливную стружку (сталь), задняя грань режущей кромки изнашивается нормально вследствие трения; передняя грань истирается неравномерно под влиянием горячей, твердой, шероховатой и изогнутой стружки, причем позади режущей кромки образуется корытообразное углубление, или лунка. На рис. 219 показаны износ по задней грани (полоса износа) и лунка, образовавшаяся на передней грани твердосплавного резца. С течением времени лунка становится все глубже, причем ее край, находившийся сначала примерно на расстоянии 1 мм от режущей кромки, придвигается все ближе к ней (рис. 220). Так как одновременно изнашивается также задняя грань, то полоска между режущей кромкой и краем лунки (так называемая губа лунки) становится все уже, угол заострения все уменьшается и, наконец, происходит более или менее значительное выкрошивание режущей кромки, делающее дальнейшее резание невозможным.

При определении стойкости твердосплавного резца через износ режущей кромки из различных показателей износа (рис. 219) чаще всего пользуются измеренной с помощью микроскопа шириной полосы износа В на задней грани. Лункообразование на передней грани, оцениваемое шириной и глубиной образовавшейся лунки, т. е. ее объемом, до настоящего времени не использовалось для количественной оценки износа.

Процессы и причины износа металлического режущего материала при обработке снятием стружки весьма сложны. У твердого сплава они связаны со свойствами обрабатываемого материала и с характерными свойствами структуры материала самого режущего инструмента. В соответствии с процессом стружкообразования можно принципиально различать две группы обрабатываемых материалов: материалы, дающие элементную («сыпучую») стружку (чугун, цветные металлы, керамические материалы, пластмассы и т. д.), и материалы, дающие сливную стружку (сталь).
Стойкость режущей кромки

Удельное сопротивление резанию чугуна сравнительно невелико, так что и образующееся количество тепла также невелико. Сыпучая стружка отделяется от материала и сразу опадает без длительного соприкасания с режущей кромкой. Так как при обработке резанием стружка является главным носителем тепла, то при обработке чугуна ввиду меньшего теплообразования и более короткого времени соприкасания со стружкой небольшой части режущей кромки ее нагрев не очень велик. Сваривание графитсодержащей чугунной стружки с твердым сплавом под влиянием температуры и давления, т. е. образование наростов на режущей кромке, а при более высоких скоростях резания образование лунок в общем не наблюдается. Однако чугунная стружка и обрабатываемое изделие чаще всего весьма тверды и изнашивают инструмент трением. Кроме того, вследствие незначительного удлинения чугуна все усилия резания концентрируются на весьма малой поверхности режущей кромки, так что местное давление резания может быть весьма значительным; в связи с этим от режущей кромки требуется большая прочность. По этой причине для обработки чугуна пригодны лишь весьма твердые, но и достаточно вязкие, хорошо проводящие тепло сорта твердых сплавов самой высокой износоустойчивости; такими являются в первую очередь сплавы из карбида вольфрама и кобальта.

Причины износа BK твердых сплавов объясняют по-разному. Согласно Давилю, структура твердых сплавов, содержащих до 10% Co, представляет собой связанный карбидный каркас значительной прочности, в промежуточных пространствах которого находится мягкий и относительно легкоплавкий кобальт. Этот кобальт изнашивается в первую очередь, карбидный каркас частично теряет цементирующую среду и начинает выкрошиваться в зависимости от его твердости и вязкости в большей или меньшей мере. Так как это, по всей вероятности, происходит периодически, то получается толчкообразно увеличивающаяся ширина полосы износа (каскадный износ).

Сильный износ вследствие лункообразования, наблюдающийся при точении стали BK твердыми сплавами, пытались объяснить тем, что на передней грани появляется при этом жидкий сплав в форме весьма тонкой пленки, которая быстро срабатывается. Действительно, опытами, аналогичными опытам Давиля, удалось доказать, что между BK твердыми сплавами и сталью при температурах в диапазоне 1300—1325° образуется жидкая фаза. Если в сплаве содержится карбид титана, температура появления жидкой фазы поднимается до 1350° и выше. Несомненно, важную роль в процессе поверхностного оплавления играет и давление.

При обработке стали удельное сопротивление резанию в два-три раза больше, чем при обработке чугуна; возникающее количество тепла значительно больше. Сливная длинная стружка отходит до передней грани твердосплавной пластинки, причем поверхность и время соприкосновения стружки с режущей кромкой сравнительно велики. Стружка при этом подвергается серьезной деформации, что связано с дальнейшим теплообразованием. Все эти факторы обусловливают значительный нагрев режущей кромки, несравненно более высокий, чем при обработке резанием чугуна.

При низких скоростях резания вследствие высокой температуры, значительного давления и сравнительно продолжительного соприкосновения стружки с режущей кромкой они свариваются. С образованием наростов на режущей кромке их периодический отрыв ведет к большим или меньшим выкрошиваниям режущей кромки. С увеличением скорости резания это явление постепенно исчезает, и начинается процесс образования лунок.

Так как износ при обработке стали большей частью объясняется поверхностным взаимодействием инструмента, стружки и обрабатываемого изделия, то выбором соответствующих легирующих присадок можно уменьшить склонность к привариванию. Этим способом достигается замедление образования наростов, образования лунок и износа по задней грани. Наилучшее действие оказывают присадки TiC, TaC, отчасти также ZrC, т. е. присадки карбидов металлов, образующих прочно удерживающиеся устойчивые окислы. Для обработки стали применяют поэтому твердые сплавы, состоящие из WC-TijC-Co или из WC-TiC-TaC (NbC)-Co.

Причинами износа TK твердых сплавов, так же как и BK, являются, согласно Тренту, тонкие пленки жидких сплавов, образующиеся под влиянием температуры и давления и быстро удаляемые механическим воздействием. Различие между обоими видами твердых сплавов состоит в том, что сорта, содержащие карбид титана, образуют со сталью жидкие сплавы лишь при 1350° и более высоких температурах. Это было подтверждено опытами, аналогичными опытам Давиля, и микрофотографиями. Объясняется это характерным поведением твердого раствора WC-TiC в этих сортах твердых сплавов. Если в указанном твердом сплаве имеется свободный монокарбид вольфрама, то, как и в сплавах BK, возникают более легкоплавкие фазы. Действительно, наблюдения показали зависимость износа (лункообразования) от содержания свободного WC в TK твердых сплавах, что подтверждается также практическим опытом.

Факторы, влияющие на стойкость


Режим резания. Получаемые при испытаниях зависимости стойкости от скорости резания T—v представляют собой в логарифмической системе координат (в зависимости от поперечного сечения стружки) ряд параллельных прямых (рис. 221). Математически эти кривые соответствуют уравнениям:

где T — стойкость, соответствующая данной скорости резания;

v — скорость резания;

n — показатель стойкости, тангенс угла наклона.

Величина n, определяющая наклон прямых, различна для разных материалов и колеблется между 4 и 15; при разных видах обработки твердым сплавом n составляет только от 5 до 7 (рис. 222).

Рис. 221 ясно показывает влияние скорости резания и поперечного сечения стружки на стойкость резца. При постоянном поперечном сечении стружки всякое повышение скорости резания сокращает стойкость. При неизменной скорости резания так же влияет всякое увеличение поперечного сечения стружки.

При данной стойкости режущей кромки каждой форме и величине стружки соответствует совершенно определенная скорость резания, причем увеличение поперечного сечения стружки требует лишь сравнительно небольшого снижения скорости резания, что имеет большое значение для экономичной обработки резанием.

Однако закономерная зависимость между стойкостью, скоростью резания и поперечным сечением стружки действительна не для всякой скорости резания и не для любого поперечного сечения стружки. При малых скоростях резания на режущей кромке возникают наросты, и изменение периода стойкости весьма неравномерно. Для стружек малых поперечных сечений также действительны иные закономерности (см. ниже рис. 225 и 226).

Согласно рис. 221, для скорости резания 150 м/мин стойкость в зависимости от формы поперечного сечения стружки составляет 200 мин. при сечении 1*0,48 (0,48 мм2) и 330 мин. при сечении 2*0,21 (0,42 мм2), хотя площадь поперечного сечения стружки в обоих случаях почти одинакова. Из этого вытекает весьма важное для практики обстоятельство — при равной площади поперечного сечения продолжительность работы тем больше, чем тоньше стружка, т. е. чем больше глубина резания и меньше подача. Это можно объяснить тем, что при большей глубине резания в действии находится более длинный отрезок режущей кромки, так что образуемое при резании тепло и трение распределяются по большей поверхности. Такое же действие оказывают и мероприятия, увеличивающие длину главной режущей кромки, а именно уменьшение главного угла в плане, увеличение радиуса вершины режущей кромки и др. При испытании на стойкость необходимо поэтому указывать не только размеры, но и форму поперечного сечения стружки. Зная толщину среза (величины имеются в таблицах), можно построить прямые m—vT (рис. 223). Как видно, тонкая стружка оказывает более благоприятное влияние на стойкость резца, чем толстая стружка равной площади поперечного сечения.

В разделе о температуре резания было показано, что нагрев режущей кромки при обработке стали значительно больше, чем при обработке чугуна. Применяя надлежащие охлаждающие жидкости, можно повысить производительность резания. У твердого сплава, выдерживающего значительно более высокие температуры нагрева, чем быстрорежущая сталь, это проявляется не столько в повышении скорости резания, сколько в увеличении стойкости, в лучшем случае на 200%. Охлаждающая жидкость, кроме того, действует в качестве смазочного материала, уменьшая трение. При обдирке стали твердым сплавом на высокопроизводительных станках режущая кромка часто подвергается предельно допустимому нагреву; соответствующее охлаждение даст в этом случае значительное повышение производительности (рис. 224).

Материал изделия и материал инструмента. Из предыдущего изложения следует, что при обработке разных материалов одним и тем же режущим инструментом наклон прямых стойкости (в логарифмических координатах) весьма различен; следовательно, истирающее действие на инструмент также должно зависеть от обрабатываемого материала. В особенности велико это различие между чугуном, дающим короткую стружку, и сталью, образующей длинную стружку. Причины этого были детально обсуждены в разделах об образовании стружки и износе режущей кромки. Во всяком случае ясно, что при обработке стали необходимо применять другие сорта твердых сплавов, чем для обработки чугуна. Давиль в свое время исследовал эту проблему весьма обстоятельно. Он обрабатывал сталь (ов = 55 кг/мм2) твердым сплавом 95% WC, 5% Co и сплавом 80% WC, 15% TiC, 5% Co. Кривые на рис. 225 показывают, что TK твердый сплав далеко превосходит сплав BK, особенно в области высоких скоростей резания. Износ в форме лункообразования у сплавав TK значительно ниже, чем у сплавов BK, что объясняется влиянием TiC, препятствующего свариванию твердого сплава состалью. Тот факт, что при низких скоростях резания BK твердый сплав дает лучшие результаты, объясняется тем, что у TK сплавов в этих условиях на режущей кромке образуются наросты и происходит выкрошивание. Поведение обоих сортов твердых сплаво в при обработке серого чугуна ( Hв = 200 кг/мм2) показано на рис. 226. TK твердые сплавы не выдерживают сильной механической нагрузки и выкрошиваются при низких скоростях резания.

Твердые BK сплавы имеют более высокую прочность и показывают поэтому при обработке чугуна в диапазоне низких и средних скоростей резания значительно более высокую стойкость.

Имеется ряд обстоятельных исследований влияния разного состава и технологии производства твердого сплава на стойкость режущего инструмента. Таково, например, исследование влияния содержания кобальта и карбида титана на стойкость TK твердых сплавов при обработке стали (рис. 227 и 228). Были также сравнены между собой одинаковые марки твердых сплавов разных заводов-произодителей; однако в данном случае необходимо учитывать определенные различия в анализе (составе) и технологии производства.

Бальхаузен обстоятельно исследовал влияние содержания кобальта в BK и TK твердых сплавах на производительность при точении. На рис. 229 нанесены в пространственном изображении скорости резания соответствующих сплавов, дающие после 10 мин. резания по стали ов = 85 кг/мм2, ширину полосы износа, равную 0,15 мм. Эта пространственная диаграмма ясно обнаруживает превосходство сплавов TK.

Условия, обеспечивающие экономичное резание


Для выбора скорости резания рекомендуют два критерия: либо максимальную производительность в единицу времени, либо минимальную суммарную стоимость обработки. При учете стоимости обработки (заработная плата, энергия, амортизация и т. д.) и инструмента (смена, стоимость заточки, расход инструмента) получается, что экономическая стойкость инструмента должна быть тем выше, чем он дороже, чем больше времени требуется для смены и заточки, чем выше доля заработной платы за заточку и чем ниже доля заработной платы рабочего-станочника.

При установлении наиболее экономичного режима резания само собою разумеется, что экономическая стойкость не может, быть одинаковой для всех предприятий и цехов или даже для всех станков одного и того же цеха. При большой продолжительности замены инструмента, как, например, у автоматов, необходимо добиваться большей стойкости инструмента. Это особенно важно при выполнении на станках сложных и точных работ, когда после каждой смены одного из инструментов иногда бывает необходимо проверить и вновь установить все другие инструменты. По этой причине от инструментов для автоматов требуется, как правило, двойной или даже тройной период стойкости по сравнению с инструментами для обычных токарных станков.



Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна