9. Применение научных положений трибологии к теории износа режущего инструмента.

Трибологические процессы, имеющие место на контактаруемых поверхностях при скольжении, могут быть адгезион­ной, диффузионной и абразивной природы, а также являться следствием усталости материала.

Изнашивание сопряженных поверхностей при скольжении происходит из-за действия одного или чаще всего одно временно нескольких механизмов трибологических процессов.

Трибологические процессы при резании происходят в специфических условиях, которые можно объяснить следующими обстоятельствами:

-разница в физико-химических и механических характеристиках материала инструмента и обрабатываемого материала довольно значительна;

- в процессе резания одни и те же поверхности режущего клина (передняя и задняя) находятся в контакте с постоянно обновляющимися поверхностями обрабатываемого материала;

- пластическая деформация при формировании стружки вызывает повышение ее твердости по сравнению с основным материалом;

- давления и температуры развиваемые на контактируемых поверхностях исключительно велики;

- вследствие большой скорости скольжения на рабочих поверхностях режущего клина не успевают образовываться защитные пленки, в то время как для других пар скольжения — это довольно распространенное явление

- в трибологических процессах участвует очень малая масса режущего материала и большая масса обрабатываемого материала;

- в процессе резания нагрузка на контактируемые поверхности часто меняется, а нередки и случаи обработки с ударными нагрузками (прерывистое резание);

- смазочно-охлаждающей жидкости довольно трудно проникнуть в зону контакта инструмента со стружкой и обрабатываемой поверхностью и образовать там смазочный слои;

- разница в шероховатости например стружки и передней поверхности режущего клина очень существенна.

Эти условия в значительной мере затрудняют изучение трибологических процессов при резании поэтому на данном этапе имеется больше информации о последствиях вызываемых действием этих процессов, чем об их физической природе.

Механизм адгезионного изнашивания Адгезионный (молекулярный) происходит путем вырывания частиц на передней поверхности инструмента вследствие схваты­вания контактных поверхностей стружки и резца. Процесс протека­ет на молекулярном уровне.

В процессе резания имеют место адгезионные процессы зависящие от условии контактирования инструмента и обрабатываемого материала При резании с малыми скоростями (протягивание, фрезерование и т д ) явление адгезии более выражено и является основной причиной изнашивания инструмента. Когда режущий клин внедряется в материал детали, на контактируемых поверхностях начинают появляться и разрушаться фрикционные связи. Фрикционные связи образуются в точках контакта инструмента и материала детали так как давление и температура в них достигают таких величин при которых возникают условия для пластической деформации вершин неровностей на обеих поверхностях.

Теория адгезионного изнашивания применительно к про­цессу резания, которую предложили Шоу и Дирке, рассматривает процесс изнашивания как следствие перераспределе­ния атомов материалов в контакте. В соответствии с данной теорией Хольм предложил фактическую площадь контакта определять (упрощенно) из выражения

где N — нормальная нагрузка, приложенная к контакту, T- твердость менее твердого материала в контакте

Объем изношенного материала зависит от длины контакта l и вероятности перехода одного атома с одной: поверхности на другою z, которая определяется условиями контактирования.

Дальнейшие рассуждения в этом направлении приводят к заключению, что объем изношенного материала, приходящийся на единицу пути трения при скольжении, пропор­ционален фактической площади контакта, т е

Исходя из определенных предположений о форме неров­ностей (например, высота неровности равна ее ширине и др), Арчад предложил следующее выражение для объема изно­шенного материала

где σ j— предел прочности на разрыв менее твердого материала

Величина константы К1, которая определяюсь многими авторами экспериментальным путем, колеблется от 10-3 до 10-7.

Шоу и Дирке избежали выше упомянутого предположения о форме неровностей на контактируешь поверхностях и объем изношенного материала на задней грани режущего клина инструмента определяли из выражения

где п — число точек контакта на длине пути трения l, с — размер частицы износа

О величине константы К по мнению авторов можно сказать следующее:

- константа К меньше для более твердого материала тел в контакте и уменьшается с ростом разницы в величине твердости контактируемых тел

- она выше если имеется тенденция к образованию мостиков сварки

- константа К увеличивается с ростом площади и продолжительности контакта

- она уменьшается при использовании в процессе резания смазочно-охлаждающих жидкостей

Зная геометрию режущего клина и форму площадки из носа его задней поверхности можно установить связь между средней шириной площадки износа и объемом изношенного материала у этой же поверхности (рис. 26)

где b —ширина резания мм

Из этих выражении вытекает, что объем изношенного материала пропорционально квадрату ширины площадки износа. Приняв произведение пс постоянным (независимым от нагрузки) можно записать

где l —длина резания, С — константа, величина которой зависит от условии обработки

В процессе резания нагрузка N в действительности является радиальной составляющем результирующей силы реза лия и направлена перпендикулярно к задней поверхности режущего клина Из за трудностей измерения величины этой составляющей нельзя достоверно утверждать что она остается постоянной в процессе резания или меняется при изменении величины износа задней поверхности Если предположить что N=const то длина резания будет пропорциональна квадрату ширины площадки износа

Механизм диффузионного изнашивания. (Диффузионный износ происходит в результате растворения материала инструмента в обрабатываемом материале. Процесс протекает на атомном уровне. При этом происходит диффузия не молекул химического соединения, а атомов отдельных элементов (например, С, W, Ti, Co и др.) В частности, диффузия углерода мате­риала инструмента в обрабатываемый материал приводит к обезуг­лероживанию рабочих поверхностей инструмента и этим ускоряет износ. Диффузионный износ наблюдается при высоких скоростях ре­зания, когда температура резания превышает 900-1000°С.)

Механизм диффузионного изнашивания может быть весьма разнообразным. Трибологические процессы развивающиеся на поверхностях режущего клина (в основном диффузионнои природы) являются следствием

- размягчения поверхностных слоев инструмента из-за диффузии углерода из материала инструмента. Размягчение контактных слоев инструмента приводит к пластической деформации вершины режущего клина изменению его геометрии увеличению сит резания и в конечном итоге к внезапной поломке инструмента

- диффузии основных компонентов материала инструмента в обрабатываемый материал Эти компоненты могут быть растворены в обрабатываемом материале (стружке и обра ботаннои поверхности) и удалены с задней и передней поверхностей. Вследствие удаления части материала с поверхности режущего клина изменяется его геометрия, деформируется вершина и увеличивается интенсивность изнашивания

-диффузии вторичных компонентов материала инструмента из тонкого поверхностного слоя, что приводит к изменению его механических свойств. Например при обработке твердосплавными инструментами кобальт служащий связующим элементом в твердом сплаве может диффундировать в обрабатываемый материал и ослаблять существовавшую связь что приводит к увеличению интенсивности изнашивания В инструменте из быстрорежущей стали углерод является вторичным связующим компонентом и его диффузия в обрабатываемый материал также ослабляет эту связь и повышает интенсивность изнашивания

- диффузии компонентов обрабатываемого материала в материал инструмента что приводит к изменению физических характеристик, поверхностного слоя у инструмента Например из за диффузии свинца из обрабатываемого материала в инструмент образуется тонкий и хрупкий слои на рабочих поверхностях режущего клина что может вызвать его интенсивное изнашивание

- диффузии отдельных компонентов материала инструмента в обрабатываемый материал которая приводит не только к потере инструментального материала но и к изменению механических характеристик поверхностных слоев стружки и обработанной поверхности Диффузия углерода из материала инструмента в обрабатываемый материал значительно повышает твердость контактируемых слоев у стружки и обработанной поверхности что приводит к интенсификации процесса изнашивания.

Механизм абразивного изнашивания. (Абразивный износ происходит в результате царапания ма­териала инструмента твердыми структурными составляющими об­рабатываемого металла (этому способствует наличие окалины и литейной корки на заготовке).

Абразивное изнашивание режущего клина мало характерно для процесса резания. Оно проявляется только при обра­ботке, связанной с образованием на вершине режущего клина нароста, который периодически разрушается и выкрашивает режущую кромку. Твердость нароста может быть очень высокой — больше твердости режущего клина инструмента, поэтому частицы нароста, которые после его разрушения попадают между стружкой и передней поверхностью инстру­мента или между задней поверхностью и обработанной, вы­зывают абразивное изнашивание. Вследствие этого появля­ются риски определенной глубины и ширины (в зависимости от твердости частиц нароста) на обеих поверхностях режущего клина, которые в процессе резания оказывают влияние, на интенсивность адгезионного изнашивания. Ранее распрост­раненное мнение, согласно которому абразивное изнашивание происходит вследствие наличия твердых включений в обрабатываемом материале, опровергнуто эксперименталь­ным исследованием, в частности сравнением размеров этих включений и ширины рисок.