Глава 8. ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ

8.1. Прочность и формоустойчивость режущего лезвия

При недостаточной прочности режущего лезвия инструмента происходит изменение его формы или разрушение. Разрушение режущей части инстру­мента сокращает число переточек режущего инструмента или вообще исклю­чает возможность его переточки, что резко увеличивает расход инструмен­тального материала. Во избежание разрушения инструмента на практике уменьшают режимы резания. Таким образом, прочность и формоустойчивость инструмента необходимо рассматривать в качестве ограничений при расчете режимов резания, выборе инструментальных материалов и назначении рацио­нальной геометрической формы инструмента.

Хрупкое разрушение режущей части инструмента. Разрушение режуще­го лезвия может происходить без заметных пластических деформаций (хруп­кое разрушение) или сопровождаться существенными пластическими дефор­мациями и изменением формы (пластическое разрушение). Хрупкое разруше­ние происходит в виде выкрашивания режущих кромок или скола режущей части.

Выкрашивание режущих кромок обычно связано с поверхностными дефек­тами инструментального материала, неоднородностью структуры, остаточны­ми напряжениями, микротрещинами, возникшими при припаивании режущей пластины к державке инструмента, а также с изменением схемы нагружения и напряженного состояния при врезании и выходе инструмента.

Сколы режущей части обычно соизмеримы с длиной контакта стружки с ин­струментом и шириной срезаемого слоя.

Наибольшие главные напряжения растяжения, вызывающие разрушение инструментов в виде хрупкого скола режущей части зависят от формы режу­щего лезвия, свойств инструментального и обрабатываемого материалов и толщины срезаемого слоя (рис. 8.1).

Из геометрических параметров режущей части инструмента большое зна­чение имеет угол заострения режущего лезвия р = я/2-у-а, измеряемый в плоскости стружкообразования или в главной секущей плоскости (рис. 8.2).

При больших углах заострения в режущем клине происходят только сжи­мающие напряжения. Они более благоприятны, чем напряжения растя­жения, так как для большинства инструментальных материалов предел проч­ности на изгиб (или на растяжение) намного меньше, чем на сжатие. Зона рас­тягивающих напряжений возникает при больших передних углах (малых углах заострения) обычно на расстоянии 2 — 2,5 длин контакта стружки с инстру­ментом.

Однако уменьшение переднего угла не всегда приводит к увеличению прочности инструмента, так как при этом существенно увеличиваются нор­мальные напряжения на передней поверхности. Более целесообразным явля­ется оптимальное сочетание упрочняющей фаски на передней поверхности, расположенной под отрицательным передним углом, с положительным пе­редним углом за фаской.

Для средних условий резания твердосплавными инструментами наиболь­ший передний угол во избежание хрупкого разрушения не должен превышать 30-35 °, а угол заострения не должен быть меньше 45 °.

Из параметров режима резания наибольшее влияние на величину растя­гивающих напряжений оказывает толщина срезаемого слоя (см. рис. 8.1). В связи с этим допускаемые хрупкой прочностью условия резания характеризуют предельной толщиной срезаемого слоя. С увеличением угла заострения р при резании с малыми скоростями допускаемые хрупкой прочностью [57] предель­ные толщины срезаемого слоя увеличиваются (см. рис. 8.2).

При несвободном резании увеличение угла в плане снижает предельную толщину срезаемого слоя апр. Благоприятно сказывается увеличение радиуса при вершине инструмента в плане или назначение переходных режущих кро­мок с малыми углами в плане.

На предельную допускаемую хрупкой прочностью толщину срезаемого слоя оказывает влияние толщина режущей пластины. В инструментах с меха­
ническим креплением твердосплавных режущих пластин для увеличения хруп­кой прочности между корпусом инструмента и режущей пластиной помещают твердосплавную опорную пластину. При точении с большими сечениями сре­заемого слоя режущую пластину располагают в инструменте таким образом, чтобы её толщина была больше ширины в направлении схода стружки. Как правило, толщина пластины должна быть на порядок (т. е. приблизительно в 10 раз) больше толщины срезаемого слоя.

С увеличением прочностных характеристик обрабатываемого материала и с уменьшением предела прочности на изгиб инструментального материала предельные толщины срезаемого слоя уменьшаются. Экспериментально уста­новлена почти линейная зависимость между пределом прочности инструмен­тального материала на изгиб и предельной толщиной срезаемого слоя. В свя­зи с этим предельные допускаемые хрупкой прочностью толщины срезаемого слоя для быстрорежущего инструмента будут примерно втрое больше, чем для ВК8, на порядок больше, чем для минералокерамики и в 15-20 раз боль­ше, чем для алмазного инструмента [57].

По современным представлениям [57] скол режущего лезвия или хрупкое разруше­ние режущей пластины является результатом накопления и развития микротрещин и зави­сит не только от величины напряжений, но и от числа циклов и характера нагружения ин­струмента. При этом вместо предела прочно­сти на изгиб следует использовать предел выносливости.

Так, при фрезеровании предел выносли­вости ctw примерно в 1,5 раза меньше, чем предел прочности. Прерывистое резание так­же влияет на прочность инструмента, по­скольку при выходе инструмента может изме­ниться схема нагружения (рис. 8.3).

По данным Т. Н. Лоладзе, при встречном фрезеровании главные напряжения сті при­близительно в 1,7 раза больше, чем при то­чении при одинаковых максимальных толщинах срезаемого слоя. Таким обра­зом, с учетом меньшего предела выносливости при фрезеровании предельные толщины срезаемого слоя должны быть в 2,4-2,7 раза меньше, чем при не­прерывном точении, и примерно вдвое меньше, чем при строгании.

Было замечено, что крупные твердосплавные пластины, использовавшиеся для черновой обработки прокатных валков с большими подачами (2 мм/об) и глубинами резания (до 40 мм), после двух-трех переточек разрушаются. При­чиной этого, по-видимому, также являются циклические нагрузки, связанные
с колебаниями припуска обрабатываемой поковки, с ломанием стружки и уменьшение предела прочности твердого сплава при циклическом характере нагружения.

Еще одной причиной, которая может вызвать развитие трещин и после­дующее хрупкое разрушение, является циклическое воздействие температуры и возникающие в связи с этим термические напряжения в инструменте. Это особенно проявляется при фрезеровании предварительно подогретых загото­вок.

Пластические деформации режущего лезвия. Следы пластических де­формаций обнаруживаются при изучении формы лунки износа на передней поверхности инструмента, а также при анализе изменений формы режущего лезвия в окрестности режущей кромки.

Пластические деформации режущего инструмента характерны для резания с достаточно высокими температурами и контактными нагрузками. При реза­нии обрабатываемые материалы могут существенно упрочняться под влияни­ем деформации и особенно под влиянием высокой скорости деформации. Ра­зупрочнение обрабатываемого материала происходит в меньшей степени, чем инструментального при одинаковой температуре. Кроме того, разупрочнение обрабатываемого материала происходит только в тонких контактных слоях стружки. Таким образом, разница между твердостью инструментального и об­рабатываемого материалов с увеличением скорости и температуры резания уменьшается и может исчезнуть совершенно.

На рис. 8.4, а показана схема пластического деформирования инструмен­тального материала на заднем крае лунки износа передней поверхности инст­румента.

Е. М. Трент [108] описал такой вид поверхностных пластических деформа­ций инструмента из быстрорежущей стали при обработке технически чистого железа. Аналогичные пластические деформации имеют место даже для инст­румента из такого хрупкого в обычных условиях инструментального материала, как минералокерамика ВОКбО при резании закаленной стали. Еще более ха­рактерным для резания является пластическая деформация в окрестности ре­жущей кромки (рис. 8.4, б). Этот вид деформации режущего лезвия наблюдал­ся многими исследователями [57, 101].

Т. Н. Лоладзе на основании многочисленных опытов с различными парами инструментальных и обрабатываемых материалов отмечал, что во всех случа­ях, когда отношение твердости инструментального и обрабатываемого мате­риалов было меньше 3-4, режущее лезвие в окрестности режущей кромки инструмента в результате пластических деформаций округлялось. Это прояв­лялось тем сильнее, чем меньше отношение твердости инструментального и обрабатываемого материалов. По мере увеличения радиуса округления режу­щей кромки сопротивление пластическим деформациям возрастало. Таким образом, притупление режущей кромки увеличивает формоустойчивость ре­жущего лезвия.

Как уже отмечалось выше, причины пластических деформаций режущего инструмента связаны со значительным упрочнением обрабатываемого мате­риала в результате влияния скорости деформации и деформации, с наиболь­шими нормальными напряжениями на передней поверхности и наибольшими эквивалентными напряжениями в режущем клине, с максимальной температу­рой на задней поверхности и разупрочнением инструментального материала в окрестности режущей кромки. Пластическое течение контактных слоев инстру­ментального материала создает условия для периодического среза деформи­рованных слоев инструментального материала и резкого увеличения интен­сивности изнашивания инструмента.

При обработке высокопрочных сплавов на никелевой основе и титановых сплавов интенсивные пластические деформации приводят к опусканию режу­щего лезвия и к уменьшению его переднего угла (см. рис. 8.4, б). В отличие от хрупкой прочности, формоустойчивость режущего лезвия при высоких темпе­ратурах резания не может быть охарактеризована только предельной толщи­ной срезаемого слоя.

Т. Н. Лоладзе [57] предложил в качестве комплексного критерия пластиче­ской прочности инструментального материала произведение предельной тол­щины срезаемого слоя, допускаемой хрупкой прочностью, и предельной скоро­сти резания, допускаемой при этой толщине пластической прочностью режу­щего лезвия: n=a„pv„p. При постоянных прочностных и теплофизических харак­теристиках обрабатываемого материала и геометрических параметрах инст­румента этот критерий характеризует температуру передней поверхности ин­струмента. Более точно условия формоустойчивости режущего лезвия может быть описано с помощью температур передней и задней поверхностей инст­румента. Охлаждение режущего лезвия повышает его формоустойчивость. Условия формоустойчивости необходимо учитывать в качестве одного из ог­раничений при расчете допускаемой скорости резания.