ЗНОШУВАННЯ І РУЙНУВАННЯ РІЗАЛЬНОГО ІНСТРУМЕНТУ

ЛЕКЦІЯ 11. ЗНОШУВАННЯ І РУЙНУВАННЯ РІЗАЛЬНОГО ІНСТРУМЕНТУ.

11.1 Зношування різального інструменту

11.1.1 Зношування як руйнування контактних площадок робочої частини інструменту. Види зношування

В процесі різання металів внаслідок тертя стружки по передній поверхні леза і задніх поверхонь леза по поверхні заготовки відбувається зношування різця, яке проходить в вигляді стирання і видалення мікрочасток поверхонь, а також в вигляді мікросколювань (викришувань) різальної кромки. Знос інструментальних матеріалів відбувається і в вигляді пластичного деформування під дією сил різання частини матеріалу, яка утворює різальну кромку.

Тертя і пов’язаний з ним знос при різанні металів відрізняється від загального тертя поверхонь деталей машин. Під час різання виникає тертя між поверхнями, які постійно знову утворюються (оновлюються). Це тертя протікає при високих температурах, високих тисках і на відносно невеликих поверхнях контакту.

З фізичної сторони процес зношування інструмента є дуже складним.

Розрізняють наступні різновиди зносу: абразивний, адгезійний (молекулярний), дифузійний і окислювальний.

Абразивний знос виникає внаслідок дряпання-зрізання мікроскопічних об’ємів матеріалу інструменту твердими структурними складовими оброблюваного металу (карбіди, частки наросту, який руйнується і переноситься стружкою, ливарна корка і окалина на заготовках).

Адгезійний (молекулярний) знос виникає внаслідок дії значних сил молекулярного зчіплювання (налипання, зварювання) між матеріалом заготовки (стружки) та інструменту, що викликає при ковзанні відрив найдрібніших часток матеріалу інструменту.

Дифузійний знос виникає внаслідок взаємного розчинення реагуючих пар оброблюваного металу і матеріалу інструменту.

Окислювальний знос виникає як результат хімічної реакції кисню повітря з кобальтовою фазою твердого сплаву та карбідами вольфраму і титану при температурі різання 700-800С, при цьому найбільш сильно окислюється кобальт. Твердість продуктів окислення в 40-60 разів нижча твердості твердих сплавів. Внаслідок розм’якшування кобальтової фази порушується монолітність сплаву і послаблюється зв’язок між зернами карбідів. Це утворює умови для виривання карбідних зерен силами тертя, що діють на контактних поверхнях заготовки і інструменту, і для їх зношування.

В реальних умовах оброблення можуть мати місце всі види зносу з переважним впливом одного з них в залежності від умов різання: фізико-механічних властивостей оброблюваного металу і матеріалу інструмента, виду і фізико-хімічних властивостей МОР, елементів режиму різання (рис. 11.1) та геометрії робочої частини інструменту, жорсткості системи ВПІД і таке інше.

Рисунок 11.1 – Вплив швидкості різання та подачі на види зношування

11.1.2 Зовнішня картина зношування інструменту

В загальному випадку різець зношується по передній і задній поверхням, але в залежності від умов оброблення може переважати той чи інший із вказаних видів зношувань (рис. 11.2 а, б, в).

Рисунок 11.2 – Зовнішня картина зношування поверхонь леза інструменту

а – зношування по передній та задній поверхнях леза;

б – зношування по задній поверхні леза;

в – зношування по передній поверхні леза

Зношування по задній поверхні характеризується висотою площадки hз, по передній поверхні – глибиною hл і шириною лунки B, довжина лунки змінюється незначно.

В процесі роботи знос інструменту як по передній, так і по задній поверхням збільшується, зменшуючи площадку f. Коли ширина лунки B буде такою, що вона досягне різальної кромки, остання зруйнується і різець вийде із ладу. Щоб різець міг знову різати, його необхідно заточити, вилучивши при цьому певний шар по передній і задній поверхням леза.

У різців, які мають радіус округлення при вершині, зношування по задній поверхні вздовж активної частини різальної кромки розповсюджується нерівномірно. Найбільша величина зносу різця при роботі не по корці має місце біля вершини, тому що вершина знаходиться в найбільш важких температурних умовах внаслідок притоку теплоти з боку допоміжної різальної кромки. Крім того кут на округленій ділянці є перемінним і меншим від кута біля прямолінійної кромки.

У відрізних і прорізних різців найбільш напруженим буде місце переходу від головної різальної кромки до допоміжної, де зношування по задній поверхні буде декілька більшим в порівнянні з іншими ділянками різальної кромки.

Зношування твердосплавних різців може супроводжуватись осипанням і викришуванням вершини леза. Під осипанням розуміють часткове або суцільне руйнування леза розміром, який не перебільшує 0,3 мм. Під викришуванням розуміють часткове або суцільне руйнування лез і поверхонь інструменту розміром від 0,3 до 1 мм. Більш значні ушкодження лез (сколювання) відносяться до контактного руйнування різальної частини інструменту.

При різанні інструментами із твердих сплавів з дуже значними силовим і тепловим навантаженнями перед зношуванням інструмента інколи спостерігається пластичне деформування леза (рис. 11.3). Зміна форми леза полягає в пониженні частини передньої поверхні інструменту, яка прилягає до головної різальної кромки. Внаслідок скривлення задньої поверхні на ній утворюється нульовий або негативний задній кут, який сприяє інтенсивному зношуванню інструмента.

Рисунок 11.3 – Пластичне деформування леза інструменту

11.1.3 Методи вимірювання величини зношування. Крива зносу різців

Зношування по задній поверхні hз можна виміряти за допомогою звичайної лупи з 20-кратним збільшенням, а глибину лунки – за допомогою індикатора (лінійний метод).

Сумарний знос по задній і передній поверхнях можна визначити зважуванням на аналітичних терезах інструменту до і після досліду (метод зважування). Сумарний знос інструменту можна визначити також і за допомогою метода радіоактивних ізотопів. Його сутність полягає в утворенні в інструменті радіоактивних ізотопів шляхом опромінення його ядерними частинками, які в вигляді продуктів зношування будуть виноситись стружкою. По радіоактивності стружки за допомогою спеціального лічильника і визначається величина сумарного зносу.

Залежність величини зносу інструмента від часу оброблення описується кривою, яку можна розділити на три ділянки (рис. 11.4):

I – період припрацювання, в якому проходить стирання найбільш виступаючих часток поверхні; чим менший параметр шорсткості будуть мати поверхні тертя, тим менш різко збільшується знос в один і той же час;

II – період нормального зношування; він характеризується тим, що знос поступово збільшується з часом роботи;

III – період підвищеного (катастрофічного) зносу; характеризується різким зростанням зносу за рахунок зміни умов тертя і сильного підвищення температури різання.

Об’єктивним кількісним показником зношування інструмента є інтенсивність наростання зносу, яка вимірюється в міліграмах на 1 м робочого шляху різальної кромки dM/dL. Використовуючи поняття інтенсивності зношування dM/dL, можна порівнювати зносостійкість різних інструментальних матеріалів і судити про вплив на стійкість інструмента його геометричних параметрів та факторів режиму різання.

Рисунок 11.4 – Крива зношування різців

11.1.4 Вплив на зношування умов різання

При різанні крихких матеріалів (чавун, бронза) різці зношуються в основному по задній поверхні незалежно від матеріалу різця. Це пояснюється тим, що сипуча стружка надлому має малу дію стирання на передню поверхню різця, тоді як його задні поверхні знаходяться з заготовкою в постійному контакті. І лише при високих швидкостях різання спостерігається знос і по передній поверхні. Внаслідок великої дії стирання чавуна різець вийде із ладу при більш низькій температурі різання в порівнянні з температурою різання під час оброблення сталі.

При різанні пластичних металів знос різця буде протікати більш складно. На малій швидкості різання, коли наріст відсутній, зношується в основному задня поверхня. Це пояснюється тим, що швидкість тертя по задній поверхні буде більшою в порівнянні із швидкістю тертя стружки по передній поверхні (із-за усадки стружки). Однак при товстих стружках, коли тиск на передню поверхню більший, утворюється лунка.

При швидкостях різання, коли наріст стійкий, він може дещо захищати задню поверхню від зносу, а тому при товстих стружках і відсутності МОР знос в основному буде протікати по передній поверхні різця (за наростом). По мірі збільшення ширини лунки і зменшення опорної площадки під наростом наріст зменшується настільки, що перестає захищати задню поверхню і вона починає зношуватись. При тонких стружках і з використанням МОР утворення наросту погіршується, а тому знос в цій зоні швидкостей буде проходити і по задній поверхні.

На високих швидкостях різання, починаючи з яких наріст відсутній, (a < 0,1 мм) знос протікає більше по задній поверхні. При товстих стружках – по передній. Це пояснюється тим, що при товстих стружках поряд з великим тиском на передню поверхню температура на ній вища, чим на задній.

Розглянутий характер зносу при обробленні сталі різцями із швидкорізальної сталі зберігається в основному і для твердосплавних різців. Однак внаслідок крихкості твердих сплавів знос по задній поверхні у них більший, чим по передній; особливо це відноситься до оброблення на малих швидкостях різання, коли знос по лунці майже відсутній. Наріст для твердосплавних різців не є захисним фактором від зносу, і може, навпаки, стати причиною руйнування різальної кромки, тому що руйнування наросту може супроводжуватись підсиленим викришуванням твердого сплаву. На знос твердосплавних різців впливає і вид оброблюваного металу; сплави групи ТК менше зношуються при обробці сталі і більше при обробці чавуна.

Мінералокерамічні різці зношується в основному по задній поверхні.

На знос різця сильно впливає шорсткість поверхонь заточування різця. Чим менша шорсткість передньої і задньої поверхонь різця, тим менше тертя між контактуючими поверхнями, тим менше знос.

При збільшенні кута різання знос по передній поверхні збільшується тому, що збільшуються сили різання.

Чим більше радіус округлення різальної кромки , тим більший знос по задній поверхні, особливо при малих товщинах зрізу, коли вплив на деформацію зрізу і сили різання більш інтенсивний.

Використання МОР зменшує знос різця, особливо по передній поверхні, що пояснюється полегшенням утворення стружки, зменшенням сил тертя на поверхнях ковзання і зменшенням температури нагрівання інструменту.

Величина зношування може бути визначена за допомогою емпіричних формул, які описують зв’язок між величиною зносу і режимами різання для періоду нормального зношування інструмента

hз = Ch Tp Vm sn tq.

В цій формулі m > n > q, тобто на величину зносу найбільш впливає швидкість різання, потім подача і найменше глибина різання. Із цього маємо, що інтенсивність впливу параметрів режиму різання на величину зношування така ж, як і на температуру різання.

11.1.5 Критерії зносу інструмента

Знос інструмента впливає на сили різання (тертя на задній поверхні збільшується), температуру різання, параметри шорсткості обробленої поверхні, точність оброблення, вібрації. Тому необхідно встановити критерії, за допомогою яких можливо визначити час, після якого різець необхідно переточити.

Існує декілька критеріїв зносу різців.

Критерій блискучої смужки. Різець вважається зношеним і його необхідно переточити, коли при обробці сталі на поверхні різання появиться блискуча смужка (рис. 11.5), а при обробці чавуна – темні плями. В даний момент окремі точки різальної кромки вже починають викришуватись, в цих місцях різець зминає поверхню різання і як би полірує її. Поява блискучої смужки відповідає початку третього періоду зносу.

Рисунок 11.5 – Блискуча смужка на поверхні різання

При роботі твердосплавними різцями смужку і плями помітити важко.

Силовий критерій (критерій Шлезінгера). Різець вважається затупленим, коли починається різке збільшення сил, особливо Pу і Pх. Недолік методу – необхідність мати на верстаті спеціальні прилади для вимірювання сил.

Критерій оптимального зносу. Оптимальним зносом вважається такий знос, при якому загальний термін служби інструменту виходить найбільшим. Загальний термін служби інструменту М визначається як здобуток кількості переточувань k, яку дозволяє розмір пластини при даній величині зносу, на час роботи Т, за який цей знос утворився, тобто

М = kТ.

Кількість переточувань, яку дозволяє розмір пластини, при її зносі по передній поверхні (рис. 6.6, а)

,

де С – товщина пластини, мм;

hл –глибина лунки, мм;

– допуск на заточування. = 0,1-0,2 мм.

Кількість переточувань, яку допускає розмір пластини при зносі по задній поверхні (рис. 11.6, б), визначається через знос в напрямку передньої поверхні p:

p = a/ cos ; a = hз tg ,

тоді

p = hз tg / cos .

Звідси

,

де B – довжина пластини, мм.

Рисунок 11.6 – Розрахункові схеми для визначення кількості переточувань

Залежність загального терміну роботи різця від величини допустимого зносу по задній поверхні має вигляд (рис. 11.7)

Рисунок 11.7 – Вплив величини зносу на загальний термін

роботи інструменту

Критерій оптимального зносу використовується в дослідницьких роботах по визначенню різальних властивостей інструменту, призначеного для чорнових і напівчистових робіт. Він може використовуватися і в виробничих умовах для інструменту, призначеного для оброблення деталей масового виробництва, а також інструменту дорогого і складного в виготовленні.

До недоліків цього критерію відноситься необхідність доведення різця при дослідженнях до значного зносу.

Технологічний критерій. Цей критерій використовують до інструменту, який призначений для чистового оброблення. Його сутність полягає в тому, що інструмент вважається зношеним, коли оброблена поверхня перестає відповідати технічним умовам (рис. 11.8).

Рисунок 6.8 – Схема, яка пояснює сутність технологічного критерію

Із розглянутих критеріїв найбільше розповсюдження здобули критерій оптимального зносу і технологічний критерій.

Для токарних прохідних і підрізних різців з пластинками із твердих сплавів рекомендуються в якості критеріїв наступні величини зносу по задній поверхні:

а) при чорновій обробці сталей hз = 1,0-1,4 мм, при чистовій – 0,4-0,6 мм;

б) при чорновій обробці чавуна hз = 0,8-1,0 мм, чистовій – 0,6-0,8;

в) для відрізних різців hз = 0,8-1,0 мм.

Для оцінювання якості різального інструменту використовуються і інші критерії: величина відносного зносу (відношення величини зносу по задній поверхні або радіального зносу до довжини шляху різання або до площі обробленої поверхні); величина інтенсивності зносу, яка виражена в мм3 або мг зношеної маси інструмента за 1 метр шляху різання або на 1 см2 обробленої поверхні.

11.2 Руйнування та надійність інструменту

11.2.1 Руйнування робочої частини інструмента

Окрім поступового зношування інструмент може виходити із ладу внаслідок руйнування його робочої частини. Руйнування може бути крихким або пластичним.

Крихке руйнування виникає під дією найбільших напружень розтягування і є наслідком зародження і розвитку тріщин. Необхідно розрізняти викришування і сколи. Викришування проявляється в відокремленні малих часток клину біля головної різальної кромки і частіше всього пов’язане з поверхневими дефектами інструментального матеріалу, неоднорідністю мікроструктури і залишковими напруженнями. Сколи представляють собою відокремлення порівняно більших об’ємів інструментального матеріалу, які перевищують об’єм клина в межах контакту поверхні зі стружкою (рис. 6.9).

Рисунок 11.9 – Руйнування леза інструменту сколюванням

а – вигляд сколів на передній поверхні леза;

б – вигляд сколів на задній поверхні леза

Величини у, у1 близькі за розміром з шириною контакту стружки з передньою поверхнею, х, х1 – близькі за розміром з шириною зрізу.

Сколи суттєво залежать від величини переднього кута і кута загострення. Найбільший вплив має товщина зрізу. Швидкість різання при безперервному різанні на сколи не впливає. Сколи для визначеного інструментального матеріалу і форми різальної частини інструменту залежать від межі міцності при одноосному розтягуванні і межі витривалості та ударної в’язкості при переривчастому різанні.

Швидкорізальні сталі менше піддаються крихкому руйнуванню, ніж тверді сплави. Серед твердих сплавів перевагу за цим показником необхідно віддати однокарбідним сплавам.

Силове навантаження на інструмент є не єдиною причиною крихкого руйнування. При переривчастому різанні не менш важливе значення мають термічні напруження, особливо для інструментів, оснащених пластинами із твердих сплавів.

Пластичне руйнування характеризується течією тонких шарів інструментального матеріалу переважно вздовж задньої поверхні. Пластичне руйнування при безперервному різанні наступає при визначеній швидкості різання. Внаслідок пластичного руйнування клин інструменту втрачає правильну форму і головна різальна кромка не може зрізати шар, який залишився під оброблення.

11.2.2 Надійність інструменту

Надійність – це властивість інструменту виконувати оброблення різанням, зберігаючи експлуатаційні показники відповідно до заданих на операцію вимог протягом визначеного терміну. Надійність інструменту, продуктивність оброблення і якість виготовлених деталей є взаємно пов’язаними поняттями; так із збільшенням продуктивності, як правило, зменшується надійність інструменту, а часто і якість виробів.

Надійність будь якого виробу визначається безвідмовністю, ремонтопридатністю і зберігаємістю.

Безвідмовність – властивість інструменту зберігати працездатність протягом заданого терміну без вимушених перерв. Необхідно відрізняти відмову внаслідок порушення працездатності інструмента і несправність внаслідок його невідповідності вимогам технічної документації. Відмови інструмента поділяються на конструктивні, які обумовлені похибками проектування, і технологічні, які обумовлені його невірним виготовленням і експлуатацією. Вихід інструменту із ладу визначається частковою або повною втратою його працездатності. Тому відмови бувають усувні, якщо працездатність можливо усунути переточуванням або ремонтом (зношування, викришування) і неусувні; в останньому випадку інструмент списують (сколи, руйнування пластини, розкріплення пластини, руйнування корпусу).

Тривалість безвідмовної роботи інструменту може бути виражена часом роботи і до будь-якої відмови, сумарним часом роботи і до повної неусувної відмови. В масовому виробництві більш зручно визначати ці характеристики кількістю деталей д, які оброблені даним інструментом до будь-якої відмови, і д – до неусувної відмови.

Безвідмовність інструмента визначається ймовірністю його безвідмовної роботи і інтенсивністю відмов.

Ймовірність безвідмовної роботи () характеризує ймовірність того, що в заданому інтервалі часу не виникає відмов інструменту.

Інтенсивність відмов () визначається ймовірністю відмови в одиницю часу після даного моменту оброблення при умові, що відмова до цього моменту не виникла; таким чином, ця характеристика дозволяє з’ясувати причину відказів.

Ремонтопридатність – властивість інструменту, яка полягає в його пристосованості до попередження, знаходження та усунення відмов і несправностей шляхом проведення технічного обслуговування та ремонтів. Час ві на відновлення інструмента складається із часу на його заточування, заміну, регулювання збірного інструменту, заміну і налагоджування. Ремонтопридатність інструменту оцінюється середнім часом відновлення ві або середнім сумарним часом відновлення ві.

Довговічність – властивість інструменту зберігати працездатність до кінцевого стану з необхідними перервами для технічного обслуговування і ремонтів. Довговічність інструменту Д кількісно оцінюється тими ж характеристиками, що й безвідмовність, якщо розглядати тільки неусувні відмови.

Зберігаємість – властивість інструменту зберігати свої експлуатаційні характеристики під час і після терміну зберігання і транспортування, встановленого в технічній документації.

Показник надійності набуває особливого значення в умовах гнучких автоматизованих виробництв. В цьому випадку виникає необхідність автоматизованої діагностики працездатності інструмента. Для цієї мети використовуються автоматичні діагностичні пристрої, які працюють на принципі щупання та візуальному принципі з подальшим обробленням інформації на ЕОМ (поза зоною оброблення). Під час різання діагностика стану інструменту виконується за зміною сил різання, термоелектрорушійної сили, вимірюванням зносу термопарами, з допомогою акустичних систем.

ЗНОШУВАННЯ І РУЙНУВАННЯ РІЗАЛЬНОГО ІНСТРУМЕНТУ