Изменение условий резания может оказывать большое влияние на харак­теристики износостойкости инструмента. Число факторов, характеризующих условия резания, велико. К ним относятся: параметры режима резания (ско­рость, глубина резания, подача), геометрические параметры режущего инст­румента, прочностные и теплофизические характеристики обрабатываемого материала, свойства инструментального материала, влияние смазочно­охлаждающих жидкостей и др. В разное время различными исследователями предпринимались попытки сократить число этих факторов, заменив их мень­шим числом обобщенных факторов или комплексов. В качестве такого обоб­щенного фактора часто использовалась температура резания, измерявшаяся методом естественной термопары.

Хорошо известна, например, гипотеза В. Рейхеля, согласно которой для конкретной пары инструментального и обрабатываемого материалов при раз­личных комбинациях режимов резания одной и той же стойкости должна соот­ветствовать постоянная температура резания [61]. Некоторые исследователи разделяли эти взгляды и приводили экспериментальные доказательства спра­ведливости гипотезы В. Рейхеля [4]. Однако во многих других случаях это предположение не подтверждалось экспериментами.

С физической точки зрения обоснованность гипотезы В. Рейхеля недоста­точна. В частности, при этом не учитывается, что скорость резания может вли­ять на стойкость инструмента не только через изменение температуры, но и непосредственно через изменение пути резания.

Обоснованность использования такого понятия, как «температура реза­ния», также вызывает большие сомнения. Это связано с тем, что стойкость инструмента определялась по достижению одного из критериев затупления, например ширины фаски износа задней поверхности. Но с износом задней по­верхности должна быть связана не температура резания, а температура имен­но задней поверхности. Кроме того, при износе инструмента температуры задней и передней поверхностей могут существенно изменяться в течение пе­риода стойкости, однако это не учитывается гипотезой В. Рейхеля.

Дж. Армарего и Р. Х. Браун [4] также приводили экспериментальные дан­ные, свидетельствующие о влиянии температуры резания на интенсивность изнашивания инструмента. И в этом случае слабым местом оставалось ис­пользование единого фактора температуры резания вместо раздельного рас­смотрения процессов изнашивания передней и задних поверхностей инстру­мента.

А. Д. Макаров [61] получил экспериментальные результаты, позволившие сформулировать гипотезу, согласно которой минимумы средней интенсивно­сти изнашивания (для конкретного материала режущей части инструмента) соответствуют постоянной (оптимальной) температуре резания.

На основании изложенных фактов можно заключить, что интегральные ха­рактеристики износостойкости (путь резания до затупления, средняя интенсив­ность изнашивания) в общем случае не связаны со средней температурой (температурой резания). Одной из причин этого может являться изменение формы кривых износа h(L) при изменении условий резания.

Более корректным является сопоставление дифференциальных характе­ристик (интенсивностей изнашивания рабочих поверхностей) с соответствую­щими температурами при фиксированных геометрии и параметрах износа ин­струмента [51]. В связи с этим изменения формы кривых износа h(L) и зависи­мостей интенсивностей изнашивания от параметров износа или пути резания необходимо увязывать с изменениями температуры.

Рассмотрим с этой точки зрения резко отличающиеся друг от друга графи­ки, иллюстрирующие — изменение интенсивности изнашивания задней поверх­ности резца из твердого сплава ВК8 при точении никелевого сплава с тонкими срезами при малой и большой скоростях резания (см. рис. 8.11, б).

Аналогичные изменения претерпевают и зависимости температуры от ши­рины фаски износа, если температуры рассчитываются с учетом влияния за­стойной зоны [53].

Задняя поверхность застойной зоны является мощным источником тепло­ты. Плотность тепловых потоков от этого участка в 6-7 раз выше, чем от фаски износа [53]. При этом меньшей скорости резания соответствует большая высо­та застойной зоны, т. е. большая протяженность источника теплоты. Поскольку мощность источника теплоты на фаске износа в несколько раз меньше, чем на участке застойной зоны, при увеличении ширины фаски износа температура задней поверхности уменьшается и соответственно уменьшается интенсив­ность изнашивания этой поверхности.

При большой скорости резания увеличение ширины фаски износа вновь приводит к росту температуры (за счет источника, расположенного на фаске износа), при меньших скоростях температура и интенсивности изнашивания инструмента начинают возрастать при больших значениях ширины фаски из­носа. Таким образом, в начальный период резания изменения интенсивности изнашивания инструмента следуют за изменениями температуры.

Анализ изменения температуры задней поверхности вблизи режущей кром­ки, выполненный с учетом влияния возникающей на передней поверхности ин­струмента застойной зоны, позволил дать физические объяснения закономер­ностям так называемого первоначального износа или периода приработки ин­струмента [12]. На закономерности изнашивания инструмента большое влия­ние оказывает форма режущего лезвия в плане. Если не принять специальных мер, то при несвободном резании максимальный износ чаще всего будет на­блюдаться в окрестности вершины инструмента, т. е. при пересечении главной и вспомогательной режущих кромок.

Как уже отмечалось выше, с целью выравнивания износа по длине режу­щих кромок вершину инструмента закругляют (рис. 8.12, а) или затачивают переходные и зачищающие кромки с малыми углами в плане (рис. 8.12, б). Наиболее распространены на практике сравнительно небольшие радиусы закругления вершины резца.

Однако малые радиусы закругления вершины в плане, как правило, не обеспечивают равномерного износа и тем самым существенно снижают изно­состойкость инструмента.

При резании стали 18ХГТ резцами Т5К10 с закругленной вершиной в плане радиусом R=1 мм скорость резания, соответствующая периоду стойкости 6 мин при критерии затупления 0,8 мм, была равной 2,5 м/мин. Оформление окрестности вершины резца в виде переходно-зачищающей кромки большого радиуса (R=65 мм) со смещением вершины на величину C«1,5S позволило вдвое увеличить скорость резания при той же стойкости инструмента и при вдвое большем пути резания.

б;

Рис. 8.12. Формы резца в плане:

а — с закруглением вершины резца, 6-е ограниченной криволиней­ной переходно-зачищающей кромкой большого радиуса

Дальнейшее небольшое уменьшение скорости резания позволяет значи­тельно увеличить период стойкости, путь резания и величину фаски износа, при достижении которой резко увеличивается интенсивность изнашивания ин­струмента — наступает катастрофический износ (рис. 8.13, кривая 3).

Таким образом, в данном случае форма резца в плане с малым радиусом закругления вершины является нерациональной.

Связи интенсивностей изнашивания с температурами целесообразно уста­навливать, предварительно оптимизировав форму инструмента, т. е. добившись равномерности изнашивания инструмента вдоль режущих кро­мок.

В тех случаях, когда износ вершины больше, чем на основном участке ре­жущей кромки, необходимо использовать два критерия затупления: больший для задней поверхности в окрестности вершины и меньший для задней по­верхности вдоль главной режущей кромки.

Как показали опыты (рис. 8.14), коэффициент неравномерности износа ин­струмента KH=hB/hr зависит от отношения подачи к радиусу закругления вер­шины режущего лезвия или от угла в плане переходной кромки, измеренного на расстоянии подачи от вершины.

При соотношениях 0,1 < S/R< 0,67 необходимо уменьшать величину hT, учи­тывая коэффициент неравномерности износа

/CH=4S/R+0,6. (8.12)

Изнашивание твердосплавных инструментов при обработке сталей также зависит от температур поверхностей режущего лезвия. Однако при этом зако­номерности изнашивания поверхностей инструмента могут существенно отли­чаться от тех, которые наблюдались при обработке никелевых сплавов. Одно из отличий заключается в том, что при точении сталей с тонкими срезами и большими скоростями резания выпуклый участок кривых износа h2(L) обычно небольшой, а участок резания с приблизительно постоянной интенсивностью изнашивания инструмента может быть достаточно большим (см. рис. 8.13).

Для данной пары обрабатываемого и инструментального материалов и конкретной геометрии инструмента и исследованных режимов резания эта ин­тенсивность изнашивания задней поверхности является минимальной и при­близительно одинаковой для всех условий. Однако имеются эксперименталь­ные доказательства тому, что изменение геометрии инструмента или даже су­щественное изменение режима резания могут обеспечить дополнительное уменьшение интенсивности изнашивания инструмента.

Это означает, что минимумов интенсивности изнашивания и соответст­вующих им значений температуры может быть несколько. Так, при точении никелевого сплава с весьма малыми глубинами резания t = 0,005 — 0,01 мм, с подачей S=0,8 мм/об резцами ВКЮ-ОМ, с предварительно заточенной фас­кой притупления по задней поверхности /70=0,3 мм, с криволинейной переход — но-зачищающей кромкой большого радиуса R=70-100 мм и с двойным углом наклона режущей кромки (15° и 0°), со скоростью резания v=0,05 м/с мини­мальные интенсивности изнашивания были значительно ниже (рис. 8.17, кри­вая 2), причем минимум соответствовал несколько меньшей температуре.

При меньших фиксированных значениях ширины фаски износа минималь­ные интенсивности изнашивания и соответствующие им температуры возрас­тают. Таким образом, минимумы зависимостей интенсивностей изнашивания от скорости резания (или от температуры) являются условными.

При больших скоростях резания интенсивность изнашивания с увеличени­ем скорости резания возрастает силь­нее. Быстрое изнашивание инструмента ограничивает возможности увеличения скорости резания. Некоторый достаточно высокий уровень интенсивности изнаши­вания задней поверхности инструмента условно может быть принят как верхний предельный. На рис. 8.17 в качестве верхнего предельного уровня для обра­ботки никелевого сплава резцом ВК8 принята интенсивность изнашивания 5м » 8-1 O’®, а для обработки сталей рез­цом Т5К10 5*t1 » 0,3-10’6. Использование второго (верхнего) уровня интенсивности изнашивания целесообразно не только для ограничения интенсивности изнаши­вания, но и для обобщения различных зависимостей интенсивности изнашива­ния от скорости резания.

В диапазоне изменения температуры задней поверхности 03 >(700-800)°С
интенсивность изнашивания возрастает с ростом температуры. Минималь­ные интенсивности изнашивания 8L0 и для обработки никелевого сплава рез­цами ВК8, и для обработки сталей резцами Т5К10 наблюдались при темпера­туре 9зо» (700-800) °С, а интенсивности изнашивания 5L1, принятые в качестве верхних уровней, соответствовали температуре 031« (1150-1200) °С. В облас­ти малых температур обычно наблюдается наибольший разброс эксперимен­тальных результатов. Поэтому в этой области точность аппроксимации результатов эксперимента эмпирической функцией невысокая. Однако, если учесть, что эта область соответствует нерациональным режимам резания, вы­сокая точность аппроксимации в данном случае и не требуется.

Интенсивность изнашивания задней поверхности при резании сталей 18ХГТ, 45, 45Г2, У8 резцами Т5К10 (кривые 3 и 4) на порядок ниже, чем при обработке сплавов на никелевой основе. Однако и при обработке сталей ми­нимальная интенсивность изнашивания изменялась в зависимости от толщины срезаемого слоя. В опытах с относительно большими сечениями срезаемого слоя (а>0,5 мм) минимальная интенсивность изнашивания была около 0,08-10’6, а в опытах с тонкими срезами (а=0,05 мм) — около 0,03-10"8.

При проведении экспериментальных исследований износостойкости режу­щих инструментов необходимо планировать опыты как в области минимальной интенсивности изнашивания 530, так и в области наибольшей рациональной интенсивности изнашивания 531. На основании этих опытов необходимо опре­делить значения 830 , 03о и S3i, 03i.

Интенсивности изнашивания и температуры целесообразно представить в виде безразмерных комплексов

А — 8із~8зо/*м и 0 еэ-9эо (531 -530)/КМ 031-e3O

где Ки — поправочный коэффициент на износостойкость инструментального материала, определяющийся на основании опытов.

Качественная схема влияния инструментального материала на зависимо­сти интенсивности изнашивания задней поверхности от температуры показана на рис. 8.18. При определении положения кривых 2-5 учитывались опублико­ванные экспериментальные данные различных исследователей.

Сплошная линия соответствует данным, полученными при точении сталей резцами Т5К10. Заштрихованная область выше той кривой соответствует точению с увеличенными сечениями срезаемого слоя или с инструментами с неоптимальной формой режущего лезвия. Соответственно каждому инстру­ментальному материалу фактически соответствует не одна линия — а некото­рая область рациональных условий резания в координатах «&L3 — 0».

Другой путь — введение эмпирических поправочных коэффициентов Км. Так, при обработке сталей инструментами из титановольфрамокобальтовых твер­дых сплавов:

для сплава Т5К10 Км=1,0, для сплава Т15К6 /<м«1,4, для сплава Т30К4 Км« 2,0.

Зависимость Д(0) можно аппроксимировать степенной функцией

Д=0дт. (8.14)

При использовании констант 0О, 60, 0,, требования к точности определе­ния показателя степени т могут быть снижены. Во многих случаях достаточно задать значение этого показателя по имеющемуся опыту, без эмпирического определения (/77 я 2,0).

Функция (8.14) связывает экспериментально определяемую величину ин­тенсивности изнашивания с расчетной температурой. Для определения интен­сивности изнашивания по нормали к фаске износа инструмента необходимо значения 530 и 531 умножить на множитель:
а при определении интенсивности изнашивания передней поверхности в ком­плекс 0Д подставлять температуры передней поверхности:

0 =9п~епо (8 16)

еп1-еп0

При обработке сплавов на никелевой основе увеличение температуры пе­редней поверхности может вызвать пластические деформации режущего лез­вия, рост интенсивности опускания режущей кромки 8Ln=dh„/dL и соответст­венно уменьшение переднего угла (рис. 8.19).

При постоянном переднем угле, больших толщинах срезаемого слоя и от­носительно небольших фасках износа приращение температуры передней по­верхности в зоне контакта стружки с инструментом зависит от тех же факторов,

что и температура вблизи режущей кром­ки. В этих условиях интенсивность изна­шивания задней поверхности коррелирует с температурой на передней поверхности так же хорошо, как и с температурой зад­ней поверхности. Разделить влияние этих температурных факторов можно, изменяя передний угол.

Увеличение переднего угла уменьшает интенсивность опускания режущей кромки. Однако при этом на передней поверхности возникает зона растягивающих напряже­ний, вследствие чего наблюдаются сколы режущего лезвия под действием сил со стороны фаски износа. В связи с этим при применении больших передних углов (у>30°) ширина фаски износа (как критерий затупления инструмента) должна быть ограничена с учетом хрупкой прочности режущего лезвия.

При наличии упрочняющей фаски на передней поверхности увеличение переднего угла за фаской приводит к увеличению высоты застойной зоны, температуры вблизи режущей кромки и на фаске износа.

Таким образом, с ростом переднего угла интенсивность изнашивания пе­редней поверхности уменьшается, а задней поверхности возрастает. Опти­мальным с этой точки зрения является такое значение переднего угла, при ко­тором критерии затупления инструмента по задней и передней поверхностям достигаются одновременно.

Еще одна особенность кривых износа при обработке сталей твердосплав­ными инструментами заключается в более резком изменении интенсивности изнашивания при переходе от зоны нормального износа к зоне «катастрофи­
ческого» износа (рис.8.20), наблюдающегося, как правило, при тонких и сред­них сечениях срезаемого слоя (а<0,4 mmJ.

h3, 0,8 0,6

0,4

0,2

Наблюдения показывают, что резкий переход обычно сопровождается возникновением пластических деформаций в режущем лезвии. Ширину фаски износа, при которой резко возрастает интенсивность изнашивания, называют оптимальной или критической. Второе название представляется более точным и поэтому предпочтительнее. Термин «оптимальная» ранее [82] уже использовался для такой ширины фаски износа, при которой температура зад­ней поверхности минимальна. При постоянной толщине срезаемого слоя с увеличением скорости резания критическая ширина фаски износа уменьшается.

Анализ экспериментальных дан­ных показывает, что при обработке конкретной стали и фиксированных геометрических параметрах инстру­мента и марке инструментального материала возникновение катастро­фического износа зависит от двух факторов: произведения скорости

резания на критическую ширину фаски износа и произведения скоро­сти резания на толщину срезаемого слоя (рис. 8.21).

Дальнейшее обобщение условий возникновения катастрофического износа, а именно обобщение влия­
ния прочностных характеристик обрабатываемого материала, может быть дос­тигнуто использованием температурных факторов.

Одной из причин потери режущим лезвием формоустойчивости могут быть высокие температуры, достигающиеся одновременно на передней и задней поверхностях инструмента. При этом изотермическая поверхность, соответст­вующая высокой температуре, проходит от задней поверхности к передней. Уменьшение прочностных характеристик инструментального материала на этой поверхности способствует возникновению пластических деформаций. При точении с тонкими срезами высокая температура задней поверхности достига­ется в конце фаски износа. Именно в этом случае на возникновение катастро­фического износа влияют факторы «va» и «уЛ».

При резании с большими сечениями срезаемого слоя инструментами с упрочняющими фасками на передней поверхности увеличение ширины фас­ки износа не приводит к увеличению температуры задней поверхности. В этом случае причиной потери формоустойчивости и поломки режущего лезвия может являться уменьшение угла заострения режущего клина (увеличение переднего угла), являющееся следствием износа передней поверхности в ви­де образования лунки.

Поскольку условие формоустойчивости представляет собой условие возникновения пластических деформаций при высоких температурах, то оно может быть записано в виде

аэкв<с*(е), (8.17)

где аэкв — эквивалентное напряжение, определяемое по одной из теорий

прочности, ст* — предел прочности инструментального материала при темпера­туре 0. Это условие должно выполняться во всех точках режущего лезвия.

В уравнении (8.17) изменяющимся фактором, определяющим формоустойчи­вость, являются именно температуры 0.

Поскольку температуры на поверхностях и внутри режущего клина определяются температурами передней и задней по­верхностей инструмента, то одной из форм условия формоустойчивости может являться некоторая эмпирическая функ­ция, связывающая максимальные или средние температуры поверхностей ре­жущего лезвия для условий резания, при которых возникает катастрофический из­нос инструмента (рис. 8.22).

Анализ имеющихся экспериментальных данных показывает, что эта функ­ция может быть аппроксимирована окружностью

(Qn-e0J+(e3-%f=Q2R,

где Qr = у](в„ — Q0f +(в3 — бд)2 — температура формоустойчивости режущего лезвия.

Таким образом, условие (8.17) может быть приближенно записано в более простой форме — через температурные факторы:

0я < 0*.

Расчет износа и условий формоустойчивости инструмента удобно выпол­нять по программам (рис. 8.23-8.26), разработанным B. C. Кушнером и А. В. Боярниковым.

В дополнение к описанному выше расчету температур производится вы­числение параметров износа передней и задних поверхностей.

Изменение инструментального материала и геометрических параметров режущего инструмента учитывается «настройкой» программы, заключающейся в изменении эмпирических констант, характеризующих свойства инструмен­тальных материалов (см. рис. 8.18).

Для вершины режущего лезвия учитывается эмпирическая поправка на не­равномерность износа. Расчет производится численным методом по уравне­ниям (8.11-8.14).

Иінсс j Изменение темпзрагчр ъ rtpoiwcc* юное а! У сложив і}

м, т ьлиакої. ражущзй нроша

Температуры передней и задней поверхностей инструмента, как правило, в течение периода стойкости изменяются мало (см. рис. 8.26). Однако это характерно не для любых условий резания. При тонких срезах и высоких
скоростях резания может наблюдаться резкое увеличение температуры зад­ней поверхности с увеличением ширины фаски износа, которое вызывает уве­личение интенсивности изнашивания и приводит к катастрофическому износу инструмента. При резании с большими толщинами срезаемого слоя темпера­туры и интенсивности изнашивания инструмента уменьшаются с ростом ши­рины фаски износа. Анализ закономерностей изнашивания инструмента, изме­нения температур позволяет скорректировать режимы резания и геометриче­ские параметры режущего инструмента.

Учет свойств инструментальных материалов осуществляется с помощью меню «Настройка» (см. рис. 8.27).

При изменении инструментального материала вносятся либо две пары значений температур и интенсивностей изнашивания (0О,5О), (01,50, ограничи­вающих диапазон изменения интенсивности изнашивания, либо вводится по­правка К„ на инструментальный материал. Влияние переднего угла на допус­каемую температуру формоустойчивости также вводится при настройке. При этом могут быть использованы имеющиеся экспериментальные данные об из­носе инструмента и о возникновении катастрофического износа (см. рис. 8.28). Значения температур, соответствующие конкретным условиям резания, рас­считываются с помощью описанных выше программ.

Вопросы для самопроверки

1. Какие факторы более всего влияют на величину растягивающих на­пряжений в режущем клине и на предельную допускаемую условиями хрупкого разрушения толщину срезаемого слоя?

2. Назовите факторы, влияющие на пластические деформации и формо­устойчивость режущего лезвия.

3. Какие характеристики используются для количественного описания геометрии износа режущего инструмента?

4. Перечислите основные разновидности механизмов изнашивания и де­формации режущего лезвия, отличающиеся природой физико-химических явлений.

5. Чем отличаются характеристики изнашивания и износостойкости инструмента? Перечислите те и другие.

6. Охарактеризуйте связь между характеристиками изнашивания и из­носостойкости режущего инструмента.

7. Какие факторы влияют на характеристики износа и изнашивания по­верхностей инструмента? Роль температуры в обобщении влияния этих факторов.

8. Охарактеризуйте влияние инструментального материала на зависи­мость интенсивностей изнашивания инструмента от температуры.

9. В чем состоит суть понятия «формоустойчивость режущего лез­вия»? Связь условия формоустойчивости с возникновением катастрофиче­ского износа инструмента.

10. Влияние температуры на формоустойчивость режущего лезвия.

11. Применение ЭВМ для расчета характеристик износа и проверки ус­ловия формоустойчивости режущего лезвия.