Физические основы процесса резания

Закономерности, связывающие физические явления, составляющие процесс резания металлов, с условиями резания, определяют необходимую основу для конструи­рования станков, инструментов и приспособлений, а также создания более совершенных методов обра­ботки.

Исходя из анализа физического механизма процесса резания металлов определяют оптимальные режимы ре­зания, т. е. такое сочетание глубины резания, подачи и скорости резания, при заданном виде материала заго­товки и технических условиях на обрабатываемую де­таль, при котором максимально используются режущие свойства инструмента и возможности станка и оснастки.

Оптимальные условия резания обеспечивают получе­ние наибольшей производительности труда или наимень­шей себестоимости операции изготовления детали.

Явления пластической деформации при резании ме­таллов. При внедрении режущей части инструмента в обрабатываемый материал под действием внешней си­лы впереди него возникает упруго- и пластически дефор­мированный объем — зона опережающей деформации, или зона стружкообразования, которая охватывает как срезаемый слой, так и часть материала под обработан­ной поверхностью.

Зона стружкообразования ОАВО (рис. 358) имеет форму клина с вершиной на режущем лезвии инстру­мента. Ее нижняя граница — вогнутая кривая OA, вдоль которой происходят первые сдвиговые деформации. Верхняя граница — выпуклая кривая ВО — конечная граница зоны стружкообразования.

Левее линииOAнаходится еще недеформированный материал срезаемого слоя, а правее линии ОВ — де­формированный металл с наибольшей степенью пласти­ческой деформации, свойственной образовавшейся стружке.

Рис. 358. Схематическое изображение зоны стружкообразовання

х

Таким .образом, проходя через зону ОАВО, зерна металла срезаемого слоя претерпевают все большую

степень деформации.

Полагают, что дефор­мированное состояние в зоне стружкообразова­ння является плоским, и срезаемый слой в процес­се резания претерпевает деформацию сдвига. Зона ОАВО состоит из поверх­ностей, на каждой из ко­торых сдвигающие напря­жения равны пределу текучести материала, уже

упрочненного в результате предшествующей деформа­ции. Линия ОВ представляет собой поверхность, на ко­торой осуществляется окончательная сдвиговая дефор­мация.

Под действием сил трения зерна металла в прирез- цовом слое стружки / (см. рис. 358) продолжают де­формироваться при движении стружки по передней по­верхности инструмента после выхода их из зоны опере­жающей деформации. Степень деформации в этой зоне, как правило, значительно больше средней деформации стружки.

Лишь при больших передних углах и малых толщи­нах срезаемого слоя и при использовании емазывакяце- охлаждающих жидкостей (СОЖ), когда снижается интенсивность трения, степень деформации по сечению стружки практически одинакова.

При инженерных расчетах полагают, что сдвиговые деформации локализуются в очень тонком слое, и се­мейство поверхностей скольжения в зоне ОАВО можно заменить единственной плоскостью ОЕ, называемой ус­ловной плоскостью сдвига. Она наклонена к направле­нию движения под углом р, называемым углом сдвига.

При таком допущении процесс превращения срезае­мого слоя в стружку можно представить как процесс
последовательных сдвигов тонких слоев обрабатывае­мого материала вдоль условной плоскости сдвига.

Поэтому процесс стружкообразования должен под­чиняться закономерностям простого сдвига, и образова­ние стружки начнется в том случае, когда сдвигающее напряжение на условной плоскости сдвига т^т_Т) где Тт — предел текучести обрабатываемого материала на сдвиг.

Величина угла сдвига р может служить мерой сте­пени пластической деформации срезаемого слоя и за­висит от условий резания. Он увеличивается с ростом сопротивления сдвигу обрабатываемого материала в зоне стружкообразования, переднего угла, скорости ре­зания, толщины срезаемого слоя. С увеличением угла р степень пластической деформации уменьшается.

Таким образом, для того, чтобы уменьшить степень пластической деформации срезаемого слоя — удельную работу, затрачиваемую на процесс резания при задан­ном обрабатываемом материале, следует увеличивать скорость резания, толщину срезаемого слоя и передний угол инструмента.

Зона опережающей деформации проникает за ли­нию среза XX, что приводит к пластической деформа­ции слоя металла II под обработанной поверхностью (см. рис. 358).

Процесс образования элемента стружки можно, раз­делить на три этапа. На первом этапе происходит уп­ругая и пластическая деформация; будущий элемент стружки упрочняется в зоне стружкообразования. На втором этапе элемент стружки сдвигается по плоскости сдвига. Это происходит в тот момент, когда напряже­ние в срезаемом слое превышает сопротивление сдвигу. Третий этап заключается в дополнительной пластиче­ской деформации образовавшегося элемента стружки при его движении по передней поверхности инструмен­та. В зависимости от свойств обрабатываемого матери­ала и условий резания образуются три вида стружек.

Сливная стружка (рис. 359, а) имеет вид сплошной ленты с гладкой внутренней (прирезцовой) и шерохо­ватой внешней поверхностями. На поверхности стружки не видно границ между элементами стружки.

Суставчатая стружка (стружка скалывания) (см. рис. 359, б) образуется при обработке менее пластич­ных, твердых материалов. Прирезцовая поверхность
стружки в этом случае также гладкая, а на внешней поверхности видны зазубрины. Стружка состоит из элементов, границы между которыми отчетливо видны. Однако элементы стружки не потеряли связь между собой.

Стружка надлома (элементная) образуется при об­работке хрупких материалов и состоит из отдельных

элементов случайной фор­мы, не связанных между собой (см. рис. 359, е).

Сливную и суставчатую стружку называют струж­ками сдвига, так как их образование связано с на­пряжениями сдвига. Струж­ку надлома иногда называ­ют стружкой отрыва, так как ее образование вызвано напряжениями растяжения.

Следует иметь в виду, что, изменяя условия резания, можно для одного и того же материала получить раз­ные виды стружек, так как свойства обрабатываемого материала (пластичность, твердость, вязкость) сущест­венно изменяются от условий нагружения в процессе резания. Можно, например, получить суставчатую и даже сливную стружку при обработке хрупкого чугуна. При обработке пластичных материалов с уменьшением переднего угла и скорости резания и с увеличением толщины срезаемого слоя стружка от сливной перехо­дит к суставчатой.

Вид срезаемой стружки может служить косвенной характеристикой работы, затраченной на процесс ре­зания.

Ркс. 359. Виды стружек: а — сливная; 6— скалывания; в — надлома

Больше работы затрачивается на образование су­ставчатой стружки, так как она претерпевает наиболь­шую степень пластической деформации. При ее образо­вании имеют место практически все - этапы процесса образования элемента стружки. Меньше работы затра­чивается на образование сливной стружки, так как при ее образовании отсутствует второй этап в образований элемента стружки; элементы не успевают сформиро­ваться. Еще меньше работы затрачивается на образова­ние стружки надлома, так как она образуется при не­значительной степени пластической деформации.

Сливная стружка часто навивается на резец и обра­батываемую деталь, что затрудняет ее удаление из зо­ны резания. Иногда для ломки стружки применяют специальные стружколомные устройства.

Процесс стружкообразования сопровождается таки­ми явлениями, как усадка стружки, нарост на инстру­менте и упрочнение поверхностного слоя, которые происходят в результате пластической деформации срезаемого слоя и тонкого слоя материала под обрабо­танной поверхностью.

Усадка стружки состоит в изменении формы струж­ки в результате пластической деформации срезаемого слоя.

Затормаживаясь под действием сил треиия, возникающих при движении стружки по передней поверхности, стружка становится короче пути, пройденного резцом для ее срезания, а поперечное се­чение ее увеличивается. Степень усадки стружки оценивается коэф­фициентом усадки, который представляет собой отношение перво­начальных размеров срезаемого слоя к размерам уже срезанной стружки. Так как объем срезаемого слоя практически не изменяется в процессе стружкообразования, считают, что ее усадка по длине (укорочение) равна увеличению поперечного сечения. Степень усад­ки стружки больше у пластичных материалов, она уменьшается с ростом переднего угла, толщины срезаемого слоя и скорости резания.

Следует отметить, что увеличение толщины срезае­мого слоя и скорости резания не только ускоряет про­цесс резания, но и снижает удельную работу резания металла, так как около 90% работы резания расходу­ется на пластическое деформирование металла.

Нарост. При обработке пластичных материалов в определенном диапазоне скоростей резания на перед­ней поверхности инструмента вблизи режущего лезвия появляется нарост в виде бугорка клиновидной формы (рис. 360). Он представляет собой упрочнен­ную часть обрабатываемого ма­териала, претерпевшего большие пластические деформации и «приваренного» к резцу. Твер­дость иароста близка к твердости закаленной инструментальной стали и он способен резать ме­талл, из которого образовался.

Рис. 360. Схема образования нароста

Нарост является как бы новым элементом режущего
инструмента, прочно связанным с ним, который изменя­ет условия резания вследствие уменьшения угла реза­ния. Угол резания с наростом 6_Н меньше угла резания б у резца без нароста, что способствует снижению на­грузки на резец. Кроме того, нарост защищает участок передней поверхности вблизи режущего лезвия от истирающего действия со стороны сходящей стружки. Участок контакта стружки с передней поверхностью ин­струмента переносится на более прочный участок режу­щего клина. Поэтому при черновой обработке, когда требования к чистоте обработанной поверхности неве­лики, а нагрузка на режущий инструмент значительна, нарост, уменьшающий силы резания и интенсивность износа инструмента, оказывает благоприятное влияние на продолжительность работы резца.

Однако чаще всего и особенно при чистовой обра­ботке нарост оказывает неблагоприятное влияние на весь процесс резания. Нарост не удерживается посто­янно на передней поверхности инструмента, а периоди­чески, с большой частотой, полностью или частично разрушается. Часть его уходит со стружкой, увеличи­вая износ резца, а другая часть — с обработанной по­верхностью, что увеличивает ее шероховатость.

При недостаточно жесткой системе станок — инст­румент — заготовка периодические изменения величины угла резания при образовании и срыве нароста могут быть источником возникновения вибраций.

На образование нароста и его размеры большое влияние ока­зывают вид и механические свойства обрабатываемого материала. Установлено, что размеры нароста при обработке металлов возрас­тают при уменьшении твердости и повышении пластичности

На размеры нароста существенно влияет величина скорости ре­зания, так как последняя в основном определяет температуру ре­зания. С увеличением скорости резания до некоторого критического значения нарост появляется и растет, а с дальнейшим увеличением скорости резания он иачннает уменьшаться и превращается в тонкий слой, параллельный передней поверхности резца.

При наиболее распространенных условиях резания нарост имеет максимальную величину при таких значениях скорости резания, ког­да температура на площадке контакта между стружкой и передней поверхностью инструмента составляет приблизительно 300 °С и ис­чезает при контактных температурах приблизительно 600 °С. Умень­шение нароста при контактных температурах более 300°С объясня­ется значительным снижением сопротивления материала нароста пластическому сдвигу.

С увеличением толщины срезаемого слоя и угла резания нарост увеличивается; меньше становятся и скорости резания, при которых величина нароста достигает максимума и при которык он исчезает.

Применением смазывающе-охлаждающих жидко­стей и тщательной доводкой рабочих поверхностей ин­струмента можно снизить вероятность появления на­роста.

Упрочнение поверхностного слоя. Физико-механиче­ские свойства поверхностного слоя под обработанной поверхностью существенно влияют на эксплуатацион­ные качества деталей машнн.

Важнейшими показателями состояния поверхностно­го. слоя являются степень наклепа и толщина накле­панного слоя, а также величина, знак и глубина зоны остаточных напряжений. Тонкий поверхностный слой обрабатываемой заготовки деформируется в зоне стружкообразования. Дополнительная деформация это­го слоя происходит в результате «обкатки» закруглен­ным лезвием режущего инструмента и эффекта упруго­го восстановления металла под задней поверхностью.

В результате упруго-пластической деформации обра­ботанной поверхности образуется тонкий слой упроч­ненного (наклепанного) металла толщинои Дн, твер­дость которого в 1,5—2 раза больше, чем твердость исходного металла. Степень наклепа характеризуется

величиной 100%, где Я_н._м и Н_ы — значения

Им

микротвердости наклепанного и ненаклепанного метал­ла соответственно.

Изменение степени наклепа с увеличением расстоя­ния Д от обработанной поверхности показано на рис. 361, а.

Степень наклепа и толщина наклепанного слоя на­ходятся в прямой зависимости от степени деформации срезаемого слоя и действующих сил резания.

Поэтому они увеличиваются сростом угла резания и толщины срезаемого слоя. Так, при точении жаропрочного сплава ХН77ТЮ (ЭИ437) увеличение подачи от 0,05 до 0,6 мм/об увеличило глубину наклепа от 0,09 до 0,155 мм, а степень иаклепа —от 23 до 37%. Увеличение угла резания от 60' до 150° увеличило глубину наклепа от 0,1 до 0,24 мм, а степень иаклепа от 35 до 42%. С увеличением скорости резания растет температура резания, снижается степень пластической деформации, и поэтому глубина и степень наклепа уменьшаются.

В результате упруго-пластического деформирования металла в слое под обработанной поверхностью возни­кают остаточные напряжения, величина и знак кото­рых зависят от силового поля, создаваемого силами

45—481
резания, нагрева материала обрабатываемой детали и структурных превращений.

На рис. 361,6 приведена эпюра остаточных напряже­ний, возникающих при обработке большинства пла­стичных материалов.

В очень тонком слое 0,001—0,004 мм (зона I) дей­ствуют сжимающие напряжения. Протяженность этой зоны и величина сжимающих остаточных напряжений

Рис. 361. Схема к определению толщины наклепанного слоя Дн и степени наклепа (о) и эпюра остаточных напряжений в зависимости от расстояния Д от обработанной поверхности

возрастают с увеличением угла резания, толщины сре­заемого слоя, уменьшением заднего угла и скорости резания. При шлифовании зона I отсутствует. В зоне II действуют растягивающие напряжения. Ее протя­женность обычно почти в 10 раз больше протяженности зоны I, и поэтому состояние поверхностного слоя опре­деляют величина и характер напряжений в зоне II. В зоне III действуют сжимающие напряжения.

Остаточные растягивающие напряжения в поверх­ностном слое обработанной детали снижают усталост­ную прочность, способствуют образованию микротре­щин.

Поэтому для получения поверхностного слоя с вы­сокими эксплуатационными свойствами необходима дополнительная чистовая обработка. Изменяя условия резания, можно снизить протяженность и величину растягивающих остаточных напряжений в зоне II.

При увеличении скорости резания абсолютная вели­чина остаточных напряжений увеличивается, но вели­чина зон уменьшается. С увеличением подачи растет величина растягивающих напряжений и протяженность зоны //. С увеличением угла резания величина растя­гивающих напряжений уменьшается, а при больших углах резания (6—105—115°) они переходят в сжима­ющие, увеличивая зону I. .

С увеличением износа инструмента растет величина растягивающих остаточных напряжений и зона II. В некоторых случаях, при достаточно жесткой системе

Рис. 362. Расположение очагов образования теплоты и ее рас­пределение

станок — инструмент — заготовка, берут большой угол резания и задний угол и малые скорости резания; тог­да протяженность зоны / увеличивается, и величина остаточных напряжений сжатия возрастает. В этом слу~ чае усталостная прочность металла увеличивается и можно исключить применение таких упрочняющих опе­раций, как обдувка дробью, накатка роликом.

Теплота резания. При резании металлов около 95% механической работы деформации и трения переходит в теплоту. Полагают, что до 5% работы резания пере­ходит в скрытую энергию искажения кристаллической решетки обрабатываемого материала.

Количество теплоты, выделяющейся в процессе ре­зания, можно определить из выражения QxA/E = =P_zvl427 ккал/мин, где А — работа резания;P_z— сила резания, кгс;v— скорость резания, м/мин; Е — механический эквивалент теплоты.

Очагами выделения теплоты в процессе резания яв­ляются зоны: стружкообразования; контакта стружки с передней поверхностью инструмента; контакта задней поверхности инструмента с заготовкой (рис. 362).

Выделяющаяся теплота распределяется между стружкой, заготовкой и инструментом. Небольшая часть теплоты уходит в окружающую среду путем луче-

45* 707испускания и конвекции в случае применения смазыва- юще-охлаждающих жидкостей.

Распределение теплоты между стружкой, деталью и резцом зависит в основном от свойств обрабатываемого материала, скорости резания и толщины срезаемого слоя. Например, при обработке стали в стружку ухо­дит до 80% теплоты. С увеличением скорости резания и толщины срезаемого слоя доля теплоты, уходящей со стружкой, увеличивается. Хотя в резец уходит не­большая часть теплоты, температура режущих лезвий достигает 800—1000° С, так как режущая часть инстру­мента непрерывно находится в зоне резания, а тепло­проводность инструментальных материалов мала.

Распределение теплоты имеет большое практическое значение. Чем больше теплоты уйдет со стружкой, тем меньше попадет в заготовку, тем менее вероятны теп­ловые деформации, влияющие на точность размеров и форму изготовленной детали и меньше вероятность структурных превращений в поверхностном слое обра­ботанной детали. Чем меньше теплоты попадет в ин­струмент, тем меньше будет интенсивность его износа.

Температура резания — средняя температура на поверхностях контакта инструмента со стружкой и за­готовкой. С увеличением количества выделяющейся теплоты температура резания повышается, а с улучше­нием отвода теплоты снижается. При прочих равных ус­ловиях температура резания возрастает с увеличением прочности и твердости обрабатываемого материала и уменьшается с увеличением теплопроводности обраба­тываемого материала инструмента, а также с примене­нием сож.

Большое влияние на температуру резания оказыва­ют параметры режима резания: скорость резания, по­дача и глубина резания.

Значительнее всего температура резания повышает­ся с увеличением скорости резания, меньше — с увели­чением подачи и еще меньше — глубины резания. Если полагать, что температура резания оказывает решаю­щее влияние на износ инструмента, для его снижения при заданном объеме срезаемого слоя выгоднее увели­чивать глубину резания, затем подачу и в последнюю очередь скорость резания.

Большое влияние на температуру резания оказыва­ет применение смазывающе-охлаждающих жидкостей и других средств снижения температуры резания (твер­дые смазки, среды с температурой ниже 0°С). Они оказывают на процесс резания следующие воздействия: 1) охлаждающее — оТвод теплоты; 2) смазывающее-* снижение сил внешнего трения; 3) моющее — удаление стружки и продуктов износа инструмента из зоны ре­зания.

Наилучшее охлаждающее действие оказывают вод­ные жидкости — вода с добавками 1—5% кальциниро­ванной соды, буры, нитрита натрия и др. Эти добавки улучшают смачиваемость водой металлических поверх­ностей и способствуют образованию окисных пленок, защищающих от коррозии.

В качестве присадок используют также поверхност­но активные вещества: хозяйственное, калийное и нат­ровое мыла, улучшающие смазочные свойства жидко­стей.

Масляные эмульсии — растворы в воде 1,5—10% эмульсолов — минеральных масел с различными добав­ками. Для предотвращения слияния капель масла в сплошной слой в эмульсию добавляют третий компо­нент — эмульгаторы.

При применении эмульсий достигаются как охлаж­дающее, так и смазывающее действия, хотя охлаждаю­щее действие их меньше, чем у водных растворов, а смазывающее меньше, чем у масел. Чем выше содер­жание эмульсола, тем выше смазывающее действие и ниже охлаждающее.

Масляные жидкости — чаще всего минеральные мас­ла с добавкой до 30%) растительных масел, их смазоч­ное действие значительно повышается. Такие смеси называют компаундированными .

Значительно чаще для улучшения смазывающего действия минеральные масла активируют такими при­садками, как олеиновая кислота, сера, керосин и др. Охлаждающее действие масляных жидкостей относи­тельно низкое.

При разных методах обработки применяют разные СОЖ. Для черновых операций и шлифования, когда главным является отвод теплоты, применяют водные растворы. При черновой обработке вы­сокопрочных сталей, когда велики контактные напряжения иа пе­редней поверхности инструмента, применяют эмульсии. При черно­вой обработке иа малых скоростях резаиия (например, иа автомати­ческих станках), когда температура резаиия невелика, применяют масляные жидкости. При чистовой фасонной обработке, когда по­верхности трения инструмента с заготовкой велики (резьбонареза- ние, развертывание, протягивание, зубонарезание и др.), при малых скоростях резания применяют масляные жидкости. При чистовой обработке с высокими скоростями резания применяют 5—10%-ные масляные эмульсии .

Эффективность воздействия СОЖ на процесс реза­ния зависит от способа подвода ее в зону резания. Наи­более простой способ подвода СОЖ — полив свободно падающей струей (рис. 363, а) — малоэффективен, так как жидкость не попадает на контактные поверхности

инструмента. При большом расходе жидкостей — до 12 л/мин — в теплообмене участвует лишь небольшая ее часть.

Более совершенный способ — подвод жидкости под давлением до 15—20 атм — особенно эффективен в слу­чае сверления или расточки глубоких отверстий. При этом способе достигается надежное удаление из зоны резания стружки и продуктов износа инструмента. До­полнительный эффект заключается в проникновении СОЖ па поверхности контакта инструмента со струж­кой и заготовкой и в снижении расхода жидкости.

Охлаждение распыленной жидкостью, которая, вы­ходя из сопла малого диаметра, образует направлен­ную струю капель жидкости с воздухом, обладающую высокой скоростью и кинетической энергией, способст­вует значительному улучшению теплообмена (см. рис. 363, б). Стойкость режущего инструмента при ис­пользовании высоконапорной или распыленной струи в 3—4 раза больше, чем при использовании полива сво­бодно падающей жидкостью.

Силы резания. Сопротивление металла резанию пре­одолевается силой резания. Работа силы резания за­
трачивается на упруго-пластическую деформацию ме­талла и отрыв элемента стружки от основной массы металла, а также на преодоление трения на контакт­ных поверхностях режущего инструмента.

В общем случае сила резания является равнодейст­вующей сил нормального давления и сил трения, при­ложенных к рабочим поверхностям инструмента.

Для решения практических задач равнодействую­щую силу резания Р заменяют ее составляющими, как это показано на рис. 364 для случая точения. Направле­ние составляющих сил совпадает с движениями, совер­шаемыми на станке. Сила P_z— главная со­ставляющая сила реза­ния — направлена по касательной к поверх­ности резания в на­правлении главного .движения. Ее называ­ют вертикальной или тангенциальной силой.

По величине силы Р_г определяют эффек­тивную мощность ре­зания и крутящий мо­мент на обрабатывае­мой заготовке: N_pe3 — = P_zvl60 • 102 кВт, Мрез =PzDI2кгс • мм,

гдеD— диаметр обрабатываемой заготовки. Момент резания воспринимается механизмом главного враща­тельного движения станка и используется при расчете этого механизма на прочность.

Сила Р_у — радиальная составляющая силы резания, направлена перпендикулярно оси обрабатываемой за­готовки.

Сила Р_х — осевая составляющая силы резания — на­правлена параллельно оси заготовки. Она нагружает механизмы продольной подачи — коробку подач и фар­тук станка.

Рис. 364. Силы резания при точении

Силы резания существенно зависят от условий ре­зания и физико-механических свойств обрабатываемого материала. На практике их определяют в каждом от­дельном случае экспериментально,

Большое влияние иа силы резания оказывают размеры среза­емого слоя, определяемые подачей и глубиной резания; с их увели­чением силы резания возрастают.

Силы резания зависят также от геометрии режущей части ин­струмента. С увеличением угла резаиия б всё три составляющие си­лы возрастают. Более интенсивно растут силы Р_уи Р_х-С увеличе­нием главного угла в плане <р до 60° Сила резания Р_гуменьшается, й при дальнейшем увеличении его несколько возрастает. Сила Р_х растет, а сила Р_ууменьшается с увеличением главного угла в пла­не ф. Силы Р_ги Р_увозрастают с увеличением радиуса закругления режущего лезвия. По мере износа резца силы резания возрастают, Особенно силы Р_уИ Р*. Применение смазывающе-охлаждакяцих жидкостей позволяет уменьшить значение силы резаиия иа 15—30%.

Для определения величины сил резания используются экспери­ментальные формулы вида

где С_р— удельная сила резания, зависящая от механических свойств обрабатываемого и инструментального материалов. КоэффициентыКц . Кб, ^ф ^и Кгучитывают изменение условий резаиия в сравне­нии с заданными при определении С_р. Значения С_р, показателей степени Х_ри У_ри коэффициентов К₁₁, К^н т. д. приводятся в справочниках.

Износ инструмента. Износостойкость режущей части инструмента характеризуется его способностью сопро­тивляться микроскопическим разрушениям на поверх­ностях контакта со стружкой и заготовкой.

Контактное нагружение рабочей поверхности инстру­мента создает сложное напряженное состояние, способ­ствующее протеканию пластической деформации в по­верхностных микрообъемах даже у прочных и твердых материалов режущих инструментов. Пластическая де­формация является основным, первичным процессом изнашивания режущего инструмента. Одним из средств повышения его износостойкости является повышение сопротивления пластическим деформациям путем уве­личения твердости материала режущей части инстру­мента.

В зависимости от преобладающего вида износа к свойствам материала инструмента предъявляют раз­личные требования. Эти требования в ряде случаев противоречивы и поэтому трудно создать материал ин­струмента, который удовлетворял бы всем требованиям, предъявляемым к режущему инструменту.

Различают следующие основные виды износа.

Абразивный износ — механическое истирание, цара­пание инструмента твердыми частицами обрабатывае­мого материала, которые часто обладают твердостью, соизмеримой с твердостью материала инструмента.

Этот вид износа преобладает при относительно не­больших скоростях резания и при обработке хрупких материалов и происходит, как правило, по задней по­верхности инструмента. Высоким сопротивлением аб­разивному износу обладают ванадиевые быстрорежу­щие стали, твердые сплавы с малым содержанием кобальта, минерало-керамические твердые сплавы. Ис­тирающая способность углеродистых сталей растет с увеличением содержания углерода, а легированных сталей — с увеличением содержания карбидов хрома, вольфрама, марганца и т. д.; чугунов — при увеличении содержания в структуре цементита, фосфидов и т. д.

Адгезионный износ — результат непрерывно проте­кающих процессов схватывания (холодного сварива­ния) материала стружки и инструмента на выступаю­щих участках площади контакта между ними и после­дующего отрыва мельчайших частиц материала инстру­мента, уносимых со стружкой.

Материал инструмента более прочен в сравнении с обрабатыва­емым материалом, поэтому разрушение чаще всего происходит в об­рабатываемом материале под поверхностью контакта. Однако вслед­ствие периодически повторяющихся схватывания н разрушения ад­гезионных связей на одних и тех участках контактной поверхности режущего инструмента возникают усталостные явления, и тогда ве­роятно вырывание частиц материала инструмента.

Интенсивность адгезионного износа существенно зависит от со­отношения твердости материала инструмента и обрабатываемого ма­териала в горячем состоянии. Чем меньше это соотношение, тем больше интенсивность адгезионного износа. Поэтому с увеличением скорости резаиия и, следовательно, температуры резання, когда твердость материала инструмента снижается в меньшей степени, чем твердость обрабатываемого материала, интенсивность адгезионного износа может уменьшаться.

Высоким сопротивлением адгезионному износу об­ладают более теплостойкие инструментальные материа­лы, у которых снижение твердости наступает при более высоких температурах резания, а также материалы ин­струментов, обладающие высокой циклической прочно­стью.

Значительное снижение интенсивности адгезионного износа достигается применением СОЖ с активными до­бавками, когда на контактной поверхности появляются прочные пленки, препятствующие схватыванию.

Диффузионный износ наблюдается при температур pax контактной поверхности инструмента 900—1100° С, при этом происходит взаимная диффузия материала инструмента и обрабатываемого материала. Инструмен­ты из углеродистых, легированных и быстрорежущих сталей не подвергаются диффузионному износу, так как их теплостойкость ниже температуры начала диффузи­онного растворения.

В твердых сплавах типа ВК в результате диффузии карбиды вольфрама обезуглероживаются, твердость материала инструмента снижается, что способствует ус­корению абразивного и адгезионного износа.

Твердые сплавы группы ТК и ТТК изнашиваются меньше при высоких температурах, чем сплавы группы ВК, так как они содержат сложные карбиды, которые при более высоких температурах в меньшей степени подвергаются обезуглероживанию.

Окислительный износ. При температурах резания 700—800° С кислород воздуха вступает в химическую реакцию с кобальтовой связкой твердого сплава и кар­бидами WC и TiC.

Вследствие значительной пористости твердых спла­вов окислительным процессам подвергаются не только контактные поверхности, но и зерна, лежащие на глу­бине. Продуктами окислительного процесса кобальто­вой связки являются окислы С0О4 и СоО, а карбидов— W0₃и ТЮг, твердость которых в 40—60 раз меньше твердости твердых сплавов. В результате окислительно­го процесса нарушается монолитность сплава, ослабля­ются связи между зернами и создаются благоприятные условия для их вырывания силами трения. Интенсив­ность и скорость окисления увеличиваются с повыше­нием содержания кобальта.

Хрупкий (скачкообразный) износ заключается в скалывании, выкрашивании макрочастиц инструмен­тального материала. Этот вид износа наблюдается при прерывистых процессах резания, когда циклически по­вторяющиеся «пики» температур и контактных напря­жений создают динамическую нагрузку на инструмент.

Износ протекает либо только по задней поверхно­сти инструмента (рис. 365,а), либо одновременно по задней и передней поверхностям (рис. 365,6). В первом случае — на задней поверхности режущего лезвия — по­является площадка с глубокими канавками, располо­
женными перпендикулярно к режущему лезвию; коли­чественно величина износа оценивается максимальной высотой площадкиh₃.Во втором случае к износу по задней поверхности добавляется износ по передней по­верхности, на которой образуется углубление (лунка) и фаска. Мерой износа по передней поверхности слу­жит максимальная глубина лунки а_л,

При окончательной чи­стовой обработке различают также радиальный или раз­мерный износ, в результате которого вершина резца смещается в направлении, перпендикулярном к обра­ботанной поверхности, и размер обработанной дета­ли изменяется (см. рис. 365, а).

Для оценки степени износа и своевременной смены инструмента после затупления за критерий износа при­нимают чаще всего его величину по задней грани.

Оптимальной величиной износа считают такую ве­личинуh₃,при которой суммарный период стойкости достигает максимума, а шероховатость поверхности и отклонения размеров детали от заданных не выходит за пределы, указанные на чертеже детали.

Стойкость инструмента. Время непрерывной работы инструмента на постоянных режимах резания до задан­ной (оптимальной) величины износа называют перио­дом стойкости Т.

Период стойкости инструмента зависит от материала инструмента, режима термообработки, геометрик и ка­чества заточки, а также от условий резания.

При прочих равных условиях период стойкости ин­струмента уменьшается с увеличением скорости реза­нияv,подачи S и глубины резанияt:

T=QvⁿS^htⁿ\

где С — постоянная величина, характеризующая влия­ние всех прочих параметров на период стойкости; >п\>п₂ — показатели относительной стойкости.

Рис. 365. Износ токарного резца

Величина периода стойкости оказывает существен­ное влияние на производительность процесса, себестои­мость операции, поэтому в каждом случае обработки отыскивается оптимальный период стойкости.

Связь между периодом стойкости и скоростью реза­иия выражается зависимостьюT=Alvⁿ,где А — посто­янная величина, зависящая от свойств обрабатываемого материала, геометрии и материала инструмента, глуби­ны резания и других факторов; п — показатель относи­тельной стойкости или чувствительность инструмента к изменению скорости резания. С увеличением скорости резания сокращается основное технологическое время, но уменьшается период стойкости, и поэтому необходи­мо чаще менять износившийся инструмент, возрастают расходы на инструмент. Оптимальный период стойко­сти выбирается из условий минимальной себестоимости операции и наибольшей производительности.

ВЫБОР РЕЖИМА РЕЗАНИЯ

После того как определены оптимальная геометрия инструмента и его материал, выбирают режим резания. Величиныv, Sиtназначают такими, чтобы наиболее полно использовать режущие свойства инструмента и возможности металлорежущего станка.

Внач