Учебное пособие

Металлорежущие станки

2.8. Тепловые явления при резании. Износ режущего инструмента

В процессе резания металлов около 80% работы затрачивается на пластическое и упругое деформирование срезаемого слоя и слоя, прилегающего к обработанной поверхности и поверхности резания, и около 20% работы — на преодоление трения по передней и задней поверхностям инструмента. Примерно 85...90% всей работы резания превращается в тепловую энергию, количество которой (в зоне резания) существенно влияет на износ и стойкость инструмента, на шероховатость обработанной поверхности. Установлено, что свыше 70% этой теплоты уносится стружкой, 15...20% — поглощается инструментом, 5...10% — деталью и только 1% теплоты излучается в окружающее пространство.

Температура в зоне резания зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, режимов резания, геометрических параметров режущего инструмента и применяемой СОЖ.

При обработке стали теплоты выделяется больше, чем при обработке чугуна. С увеличением прочности и твердости обрабатываемого материала температура в зоне резания повышается и при тяжелых условиях работы может достигать 1000...1100°С.

При увеличении подачи температура в зоне резания также повышается, но менее интенсивно, чем при увеличении скорости резания. Глубина резания оказывает наименьшее (по сравнению со скоростью и подачей) влияние на температуру в зоне резания.

При увеличении угла резания δ и главного угла в плане φ температура в зоне резания возрастает, а при увеличении радиуса ρ скругления режущей кромки — уменьшается. Применение СОЖ существенно уменьшает температуру в зоне резания.

Износ режущего инструмента значительно отличается от износа деталей машин, поскольку зона резания, в которой работает инструмент, характеризуется высокой химической чистотой трущихся поверхностей, высокими температурой и давлением в зоне контакта. Механизм износа инструмента при резании металлов включает в себя абразивный, адгезионный и диффузионный износ. Удельное влияние каждого из них зависит от свойств материала, инструмента и детали, а также условий обработки (прежде всего скорости резания).

Абразивный износ инструмента заключается в следующем: стружка внедряется в рабочую поверхность инструмента и путем микроцарапаний удаляет с нее металл. Интенсивность абразивного износа повышается при снижении скорости резания.

Адгезионный износ инструмента происходит в результате схватывания или прилипания трущихся поверхностей и последующего отрыва мельчайших частиц материала инструмента. Результатом этого износа, происходящего при температуре ниже 900°С, являются кратеры на рабочих поверхностях инструмента, образующие при слиянии лунки. Адгезионный износ уменьшается при повышении твердости инструмента.

Диффузионный износ инструмента, происходящий при температуре 900...1200°С, является результатом взаимного растворения металла заготовки и материала инструмента. Активность процесса растворения повышается при повышении температуры контактного слоя, т. е. при возрастании скорости резания. На основании этого диффузионный износ можно рассматривать как один из видов химического износа, приводящего к изменению химического состава и физико-химических свойств поверхностных слоев инструмента и снижающего его износостойкость.

Чем выше механические свойства обрабатываемого материала и содержание в нем углерода, хрома, вольфрама, титана, молибдена, тем интенсивнее износ инструмента. Наибольшее влияние на интенсивность износа оказывает скорость резания, наименьшее — подача и глубина резания.

Как правило, инструмент изнашивается по задней и передней поверхностям. За критерий износа обычно принимают допустимый износ h₃ по задней поверхности инструмента (рис. 2.8, а). Например, для твердосплавных резцов при черновой обработке заготовок из стали h₃ = 1,0...1,4; из чугуна — h₃ = 0,8... 1,0 мм, а при чистовой обработке заготовок из стали h₃ = 0,4...0,6 мм; из чугуна — h₃ = 0,6...0,8 мм. Преобладающий износ по задней поверхности обычно наблюдается при обработке с низкими скоростями резания заготовок из стали с малой (не более 0,15 мм) толщиной среза, а также при обработке заготовок из чугуна.

Преобладающий износ по передней поверхности резца наблюдается при большом давлении и при высокой температуре в зоне резания. Такие условия возникают при обработке с высокими скоростями резания и без охлаждения заготовок из стали с большой (более 5 мм) толщиной среза. При износе резца по передней поверхности h_п на последней образуется лунка (рис. 2.8, б), ширина и глубина которой непрерывно увеличиваются. При этом ширина перемычки между лункой и режущей кромкой непрерывно уменьшается, и когда перемычка исчезает, наступает полный, или катастрофический, износ (рис. 2.8, в).

Рис. 2.8. Геометрические формы износа резца:
а — износ по задней и передней поверхностям: h₃ — износ по задней поверхности; h_п — износ по передней поверхности; α — главный задний угол; δ — лунка износа по передней поверхности: h_л — глубина лунки износа; в — полный, или катастрофический, износ по передней поверхности; г — скругление режущей кромки: ρ — радиус скругления режущей кромки

На практике инструмент изнашивается по задней и передней поверхностям одновременно, при этом радиус р скругления режущей кромки увеличивается (рис. 2.8, г). Преобладание одного из этих видов износа над другими зависит от режима обработки.

Геометрические формы износа сверла показаны на рис. 2.9. Для сверл из быстрорежущей стали при обработке заготовок из чугуна h₃ = 0,5...1,2 мм; из стали h₃ < 1,1 мм, а для сверл, оснащенных пластинами из твердого сплава, для заготовок из чугуна и стали h₃ = 0,4...1,3 мм. Большие значения износа допустимы для сверл большего диаметра.

Рис. 2.9. Геометрические формы износа сверла:
h₃ — износ по задней поверхности; h_л — износ по ленточке; h_п — износ по передней поверхности; h_ц — износ цилиндрического участка; h_к — износ конического участка

Наиболее распространен износ сверла по задней поверхности у периферийной части режущей кромки. Он возникает вследствие увеличения температуры в зоне резания. Износ перемычки сверла наиболее часто возникает при обработке твердых материалов или при высокой скорости резания. Наиболее значителен износ сверла по передней поверхности при глубоком сверлении. Износ участка ленточки примыкающего к режущей части сверла зависит от деформации и увода сверла, а также от других факторов.

При чистовой обработке деталей за технологический критерий износа инструмента принимают допустимый износ, при превышении которого точность получаемых размеров и шероховатость обработанной поверхности не удовлетворяют заданным (по техническим требованиям). Так, технологическим критерием износа мерных инструментов для обработки отверстий (например, разверток) является износ по задней поверхности, при котором размер или качество поверхности обрабатываемого отверстия не соответствуют заданному допуску.

Стойкость инструмента характеризуется его способностью без переточки длительное время обрабатывать заготовки в соответствии с техническими требованиями. Стойкость определяется временем непосредственной работы инструмента (исключая время перерывов) между переточками; это время называется периодом стойкости инструмента или стойкостью инструмента. Наибольшее влияние на стойкость инструмента оказывает скорость резания. Так, повышение скорости резания на 50% снижает стойкость инструмента примерно на 75%, в то время как аналогичное увеличение подачи снижает стойкость на 60%.

Контрольные вопросы

Как распределяется тепло, образующееся при резании?
Какие виды износа инструмента вы знаете?
Какой параметр резания оказывает наибольшее влияние на стойкость инструмента?