23. Износ режущего лезвия по форме и физической природе. Зависимость износа от времени работы инструмента.

Абразивное изнашивание. Снятие стружки с поверхности детали сопровождается изнашиванием режущих лезвий инструментов. Это происходит в результате комплексного действия целого ряда механических и физико-химических явлений на площадках контакта. Механизм абразивного изнашивания заключается в том, что твердые включения обрабатываемого материала, внедряясь в контактные поверхности инструмента, царапают их как микроскопические резцы. Особенно это проявляется, когда твердость инструментального материала в процессе резания уменьшается, а обрабатываемый материал упрочняется. Абразивное действие оказывают частицы нароста, карбиды, интерметаллиды, оксиды и другие включения высокой твердости. При резании в химически активных средах, например в четыреххлористом углероде, абразивное действие может возрастать вследствие разупрочнения поверхностных слоев инструментального материала, вступившего в химические реакции со средой. Такие слои легче поддаются разрушению абразивными частицами, а изнашивание получило название абразивно-химического. Адгезия, схватывание и перенос вещества. В процессе резания происходят одновременно накапливание частиц на одних микроучастках контактных площадок и срыв с других микроучастков этих же контактных площадок накопившихся на них частиц. В результате по всей контактной поверхности образуются микроочаги относительно кратковременного действия локальных сил адгезии (адгезия — сцепление поверхностных слоев разнородных тел) между поверхностными слоями материалов инструмента и детали, чередующиеся с разрушением и уносом оторванных частиц стружкой или вновь образуемыми участками поверхности резания. Одной из причин локализации сил адгезии является отсутствие непрерывного сплошного контакта между задней поверхностью инструмента и обрабатываемым материалом. Образующаяся поверхность резания имеет специфический микрорельеф, при котором только некоторые его вершины контактируют с задней поверхностью инструмента. Фактическая площадь контакта зависит от условий резания и составляет относительно небольшую часть всей площади поверхности резания. Для ее расчетов необходимо знать механические характеристики контактируемых материалов, параметры шероховатости и волнистости контактирующих поверхностей, их микротвердость и прикладываемую нормальную нагрузку. Высокие давления в зоне контакта увеличивают его истинную площадь. Сам процесс непрерывного перемещения стружки и обрабатываемого металла вдоль поверхностей инструмента способствует образованию сильных металлических связей; при этом разрушаются слои поверхностных оксидов и других адсорбированных пленок. Поэтому явления адгезии при резании проявляются наиболее четко. Способствуя возникновению адгезии, процесс резания в то же время непрерывно разрушает возникающие мостики схватывания вследствие перемещения инструмента, стружки и детали относительно друг друга. Мостики образуются и разрушаются непрерывно, и на контактирующих участках действуют циклические нагрузки. В результате усталостных явлений происходит разрушение под поверхностью контакта, в том числе и в инструментальном материале. Установлено, что размеры вырванных частиц зависят не от твердости или прочности инструментального либо обрабатываемого материала, а от их соотношения в контакте. Снижение интенсивности изнашивания с повышением твердости инструментального материала обусловлено не сокращением участков схватывания и количества срезанных частиц, а уменьшением их размеров. При этом изменение интенсивности изнашивания пропорционально изменению третьей степени линейных размеров частиц. Это означает, что даже незначительное изменение размеров вырванных частиц вызовет существенное изменение темпов изнашивания. Адгезионному изнашиванию способствует то, что по границам зерен поликристаллических материалов концентрируются внутренние дефекты и происходит отслаивание инструментального материала. При каждом очередном натружении отрываются только те частицы, связи которых были уже ослаблены предшествовавшими циклами нагружения. При низких скоростях резания, когда разогрев контактных слоев незначителен и изменение температуры не сказывается на адгезии, изнашивание инструмента из быстрорежущей стали и твердого сплава обусловлено главным образом адгезионным срезом и отрывом материала инструмента. Только в отдельных случаях проявляется абразивное действие твердых частиц обрабатываемого материала и нароста на поверхности инструмента. При температурах менее 500 °С износостойкость быстрорежущей стали выше, чем твердого сплава. Это вполне объяснимо ее более высокой прочностью и хорошей сопротивляемостью контактным циклическим нагрузкам. На повышенных скоростях резания изнашивание инструментов также в значительной степени связано с адгезией. Быстрое перемещение обрабатываемого материала относительно поверхностей инструмента при высоких скоростях резания, повышение температуры и размягчение контактных слоев увеличивают количество микрозон адгезии. Поскольку при этом размягчение обрабатываемого материала, как правило, больше, чем инструментального, интенсивность адгезионного изнашивания понижается. Если же в процессе резания в инструментальном материале происходят структурные превращения, приводящие к скачкообразному падению прочности, интенсивность изнашивания резко возрастает. Например, распад мартенсита .и отпуск быстрорежущей стали при температуре свыше 600 °С облегчают срез контактных слоев быстрорежущей стали и активизируют изнашивание. Диффузионное и химическое изнашивание. Наличие на контактных площадках скоплений прилипших частиц обрабатываемого материала или только их следов, наблюдаемых при резании всех конструкционных материалов в диапазоне всех скоростей, свидетельствует о том, что явление адгезии имеет место при любых режимах резания. Оно, однако, не может служить причиной резкого возрастания интенсивности изнашивания твердого сплава в зоне высоких скоростей и температур резания, поскольку прочность адгезионных связей в этом случае снижается. Причина этого — диффузионное изнашивание.

Диффузионное изнашивание в процессе резания может происходить вследствие взаимного диффузионного растворения компонентов инструментального и обрабатываемого материалов, а также разрушения поверхностных слоев инструмента в результате структурных превращений и их разупрочнения. При обычном высокотемпературном контакте скорость диффузии с течением времени резко уменьшается. Однако в процессе резания имеют место высокие температура и давление в зоне контакта, интенсивная адгезия. Большие пластические деформации способствуют взаимному диффузионному растворению компонентов инструментального и обрабатываемого материалов, повышая их химическую активность. Стружка и обрабатываемая поверхность перемещаются относительно инструмента непрерывно и с большой скоростью. При этом в контакт входят все новые и новые участки поверхности обрабатываемого материала и скорость взаимного растворения высока. Диффузия является одним из химических процессов, способствующих изнашиванию. Наряду с ней активное влияние на изнашивание оказывают и другие процессы, например химическое взаимодействие с окружающей средой. При резании в химически активных средах разупрочняются поверхностные слои инструментального материала, вступившего в химические реакции со средой. Но и при резании на воздухе при высоких температурах наблюдаются химические реакции. В частности, в диапазоне температур 700...900 °С активно вступают в реакцию с кислородом компоненты твердых сплавов, причем кобальт окисляется наиболее активно, а затем простые и сложные карбиды. Твердость образующихся оксидов в 40-60 раз ниже, чем твердых сплавов. Это нарушает монолитность сплава, ослабляет связи между карбидами и связкой, вследствие чего наблюдается разрушение оксидных пленок, вырывание карбидов из матрицы твердого сплава и изнашивание контактных площадок. Изнашивание инструментов в результате окисления играет существенную роль и при резании сверхтвердыми материалами. Первые признаки изнашивания режущих лезвий обнаруживаются уже в начале резания. При осмотре режущих лезвий с помощью микроскопа заметны микровыкрашивания на режущих кромках и в местах их сопряжения, возрастание радиусов округления лезвий, появление вдоль главной режущей кромки узкой светлой полоски, которая и является признаком начала изнашивания. В процессе работы инструмента увеличиваются размеры площадок износа. В зависимости от условий резания эти площадки могут образовываться на разных участках лезвий инструмента. Изнашивание задней поверхности инструмента наблюдается при обработке сталей с малой толщиной среза (не более 0,10 мм) и низкими скоростями резания, а также при обработке чугуна. Объясняется это следующим: 1) при малых толщинах среза радиус округления режущего лезвия соизмерим с толщиной среза; 2) при тонкой стружке возрастает относительная упругая деформация поверхностного слоя; 3) путь трения по задней поверхности больше, чем по передней, из-за укорочения стружки. Преимущественное затупление по задней поверхности наблюдается при работе протяжками, метчиками, зуборезными головками, долбяками, фасонными резцами, цилиндрическими фрезами. Перечисленные инструменты работают на низких скоростях резания и при малых толщинах среза. При работе резцов с высокими скоростями резания и малой толщиной среза часто наблюдается износ вспомогательной задней поверхности инструмента в виде канавок с шагом, равным подаче. Он возникает в результате контактного взаимодействия обработанной и вспомогательной задней поверхностей и может существенно превышать износ по главной задней поверхности. Интенсивное изнашивание передней поверхности лезвия инструмента происходит при большом давлении на контактной площадке, когда повышается температура резания. Такие условия наблюдаются при обработке стали без охлаждения с высокими скоростями резания и большими толщинами среза (а > 1,0 мм). Износ передней поверхности лезвия проявляется в виде лунки, размеры которой определяются размерами площадки контакта. В процессе резания ширина В и глубина Ал лунки постепенно увеличиваются. При этом ширина лунки растет быстрее в сторону, противоположную режущей кромке. Кривизна лунки постепенно уменьшается, а площадка износа увеличивается, и когда ширина перемычки f достигает нуля, наступает полный, или катастрофический, износ инструмента. Графическое изображение закономерности нарастания износа за время работы инструмента называется кривой износа. В общем случае на кривой износа можно выделить три участка: 1 — период приработки, или начального износа, продолжительностью несколько минут (на этом участке наблюдается ускоренное изнашивание, являющееся следствием истирания выступающих участков исходных неровностей на заточенной поверхности инструмента); 2 — период нормального изнашивания, когда шероховатость рабочих поверхностей инструмента становится небольшой; при этом износ постепенно увеличивается приблизительно пропорционально времени работы инструмента (это наиболее продолжительный период работы); 3 — период быстрого (катастрофического) изнашивания, сопровождающегося выкрашиванием и даже поломками инструмента (этот вид износа недопустим при нормальной работе инструмента).