Лабораторная работа № 15 износ резцов в зависимости от времени работы

Цель работы: Ознакомиться с методикой измерения износа резцов; изучить изнашивание резцов изготовленных из разных материалов.

Приборы, оборудование, инструмент и материалы:

1. Токарный станок 1К62 или 16К20.

2. Заготовка из стали Ст 3.

3. Проходные резцы оснащенные пластинками с твердым сплавом ВК8 и Т15К6.

4. Лупа Бринелля.

Общие сведения

В процессе резания металлов срезаемая стружка перемещается по передней поверхности инструмента, а поверхность заготовки (поверхность резания) перемещается относительно задней поверхности инструмента, благодаря чему материал инструмента изнашивается. Износу подвергаются все контактные поверхности режущей части инструмента, однако величина износа в разных точках отличается друг от друга. Точки на контактных площадках, которые находятся под большими нагрузками и более высокими температурами, будут изнашиваться быстрее. При внешнем осмотре многих инструментов можно установить, что в одних случаях основной износ наблюдается только на задней поверхности, в других - только по передней поверхности, а в третьих - одновременно и по задней и по передней поверхности.

Величина износа по мере работы инструмента непрерывно увеличивается: наиболее интенсивно в начальный период работы, затем более или менее равномерно на протяжении некоторого промежутка времени и далее опять с возрастающей интенсивностью.

Иногда износ возрастает очень резко, следствием чего является поломка инструмента.

В производстве допускается изнашивание инструмента только до некоторой величины, количественное выражение которой устанавливается по критерию износа. Наиболее распространенным критерием является величина оптимального износа инструмента, при которой обеспечивается наибольший срок службы с учетом его переточек.

Придание инструменту заданных геометрических параметров режущей части и восстановление режущих свойств инструмента, утраченных в результате его износа и затупления, осуществляются путем заточки и доводки.

Рассмотрим общий характер износа режущего инструмента на примере токарного резца. При износе резца на передней поверхности образуется лунка шириной h. У инструментов из разных материалов и при разных режимах резания преобладает износ передней или главной задней поверхности. При одновременном износе по этим поверхностям образуется перемычка f.

Износ резца по главной задней поверхности в процессе обработки изменяет глубину резания, так как уменьшается вылет резца на величину.

и = L – L_И, (15.1)

Значение износа резца пропорционально времени обработки, поэтому по мере роста значения и глубина резания t уменьшается. Обработанная поверхность получается конусообразной с наибольшим диаметром D_H и наименьшим D.

Количественное выражение допустимого значения износа называют критерием износа. За критерий износа принимают в большинстве случаев износ инструмента по главной задней поверхности h. Для токарных резцов из быстрорежущей стали допустимый износ h = 0,8 + 1 мм, с минералокерамическими пластинками h = 0,5 + 0,8 мм. При чистовой обработке за критерий износа принимаются технологические требования. В этом случае резец снимается для переточки при увеличении шероховатости обработанной поверхности независимо от величины износа резца. Допустимому износу инструмента соответствует определенная его стойкость.

Под стойкостью инструмента Т понимают суммарное время (мин) его работы между переточками на определенном режиме резания. Стойкость токарных резцов, режущая часть которых изготовлена из разных инструментальных материалов, составляет 30-90 мин. Стойкость инструмента зависит от физико-механических свойств материала инструмента и заготовки, режима резания, геометрии инструмента и условий резания.

Между величинами V и Т существует зависимость:

V₁T₁^m = V₂T₂ ^m = V₃T₃ ^m = const или V = С/Т ^m, (15.2)

где С - постоянная величина, m - показатель относительной стойкости (для резцов m = 0,1 +0,3 мм).

Так как величина m мала, то стойкость резцов падает даже при незначительном повышении скорости резания. Поэтому обработку следует вести на расчетной скорости. Это условие легко выполнимо на станках с бесступенчатым регулированием частоты вращения шпинделя. На станках со ступенчатым регулированием частоты вращения шпинделя обработку ведут на ближайшей меньшей к расчетной частоте вращения заготовки. В данном случае при небольшом уменьшении скорости резания стойкости инструмента будет больше принятой. Это уменьшит время на смену затупившегося инструмента, но, как правило, не снизит производительность.

Износ инструмента приводит не только к снижению точности размеров и геометрической формы обработанных поверхностей. Работа затупившимся инструментом вызывает рост силы резания. Соответственно увеличиваются составляющие силы резания, что вызывает повышенную деформацию заготовки и инструмента и еще более снижает точность и изменяет форму обработанных поверхностей заготовок. Увеличиваются глубина наклепанного поверхностного слоя материала заготовки и силы трения между заготовкой и инструментом, что в свою очередь увеличивает теплообразование в процессе резания.

При обработке на настроенных станках износ инструмента приводит к рассеиванию обработанных поверхностей заготовок, что снижает качество сборки деталей в условиях взаимозаменяемости. Уменьшить влияние износа на точность обработки можно периодической подналадкой станка.

Износ режущих инструментов

Одной из основных характеристик режущего инструмента является его способность сопротивляться износу. В зависимости от условий резания могут иметь место три основных вида износа: абразивно-механический, адгезионный и диффузионный.

Абразивно-механический износ происходит при относительно невысоких скоростях резания и вызван трением сходящей стружки о переднюю поверхность инструмента и задней поверхности инструмента об обрабатываемую поверхность. Абразивно-механический износ проявляется в виде истирания, смятия или скалывания.

Адгезионный износ связан с явлением адгезии (слипания). При высокой температуре и большом давлении сходящая стружка приваривается к твердым частицам и вырывает их из основной массы инструмента.

Диффузионный износ происходит при больших скоростях и высоких температурах в зоне резания. Износ инструмента происходит вследствие того, что частицы инструментального материала проникают в стружку и обрабатываемую деталь.

На интенсивность износа оказывают влияние многие факторы: физико-механические свойства обрабатываемого металла и материала инструмента, состояние поверхностей и режущих кромок инструмента, род и физико-химические свойства смазочно-охлаждающей жидкости, режим резания, геометрические элементы режущей части инструмента, состояние станка, жесткость системы СПИД и другие условия обработки.

В общем случае резец изнашивается по передней и задней поверхностям; однако в зависимости от условий обработки может преобладать тот или иной из указанных износов. Износ по задней поверхности характеризуется высотой площадки h. Износ по передней поверхности характеризуется в основном глубиной п_л и шириной лунки Ь: длина лунки L измеряется незначительно.

В процессе работы инструмента износ как по передней, так и по задней поверхностям увеличивается, уменьшая площадку с. Когда ширина лунки b достигнет режущей кромки, последняя разрушится и резец выйдет из строя. Чтобы резец снова мог резать, его необходимо заточить, т.е. вновь придать ему соответствующую геометрическую форму, удалив при этом определенный слой металла по передней и по задней поверхностям.

У резцов, имеющих радиус закругления при вершине в плане, задняя поверхность вдоль активной части режущей кромки изнашивается неравномерно. Наибольшая величина износа при работе резца не по корке находится у вершины. Это объясняется тем, что вершина резца находится в наиболее тяжелых температурных условиях, так как приток теплоты к ней происходит и со стороны вспомогательной режущей кромки (от побочного резания). Кроме того, задний угол на закругленном участке переменный и обычно меньше угла у прямолинейной кромки, что и вызывает на этом участке большее тепловыделение от трения. При наличии же у заготовки корки наибольший износ по задней поверхности у резца может быть в том месте, где корка соприкасается с резцом, т.е. на некотором расстоянии от вершины.

У отрезных и прорезных резцов наиболее напряженным будет место перехода от главной режущей кромки к вспомогательным, где износ по задней поверхности будет несколько большим по сравнению с другими участками режущей кромки. Износ по задней поверхности h₃ можно измерить с помощью обычной лупы с 20-кратным увеличением, а глубину лунки - с помощью индикатора.

Процесс износа режущего инструмента изучается также с помощью радиоактивных изотопов (меченых атомов). Сущность этого метода заключается в образовании в инструменте радиоактивных изотопов (при облучении его ядерными частицами), которые в виде продуктов износа, будут уноситься стружкой. По измерению радиоактивности стружки (с помощью специального блока счетчиков) и определяется величина износа инструмента. Метод радиоактивных изотопов позволяет быстрее устанавливать влияние различных факторов на износ инструмента.

В зависимости от материала заготовки и резца, элементов режима резания, геометрических элементов режущей части резца и других условий обработки резцы изнашиваются по-разному. При резании хрупких металлов (чугуна, бронзы) резцы изнашиваются в основном по задней поверхности независимо от материала резца. Это объясняется тем, что сыпучая стружка надлома мало истирает переднюю поверхность резца, тогда как его задние поверхности находятся с заготовкой в постоянном контакте. И лишь при высоких скоростях резания наблюдается износ и по передней поверхности. Вследствие высокого истирающего действия чугуна (усиливающегося за счет посторонних примесей) резец выйдет из строя (т.е. затупится) при более низкой температуре резания по сравнению с температурой резания при обработке стали.

При резании вязких металлов на малой скорости резания, когда нарост отсутствует, изнашивается в основном задняя поверхность. Это объясняется тем, что скорость трения на задней поверхности выше, чем скорость трения (скольжения) стружки по передней поверхности (из-за усадки стружки). Однако при толстых стружках, когда давление на переднюю поверхность выше образуется лунка.

На скоростях резания, при которых нарост устойчив, он приобретает "активную" форму и может несколько защищать заднюю поверхность от износа, а потому при толстых стружках и отсутствии смазочно-охлаждающей жидкости износ в основном будет протекать по передней поверхности резца (за наростом). По мере увеличения ширины лунки и уменьшения опорной площадки под наростом нарост уменьшится настолько, что не сможет защитить заднюю поверхность, и она начтет изнашиваться. При тонких стружках смазочно-охлаждающие жидкости ухудшают условия наростообразования, а потому в этой зоне скорости резания будут изнашиваться и задние поверхности.

На высоких скоростях резания (при которых нарост отсутствует) при тонких стружках (а < 0,1 мм) больше изнашиваются задние поверхности. При толстых стружках больше изнашиваются передние поверхности. Это объясняется тем, что при толстых стружках наряду с большим давлением на переднюю поверхность температура на ней выше, чем на задней.

Рассмотренный характер износа при обработке стали для резцов с пластинками из быстрорежущих сталей сохраняется в основном и для резцов с пластинками из твердых сплавов. Однако вследствие хрупкости твердых сплавов износ по задней поверхности больше, чем по передней; особенно это относится к работе на малых скоростях резания, когда износ по лунке почти отсутствует. Нарост для резца из твердого сплава может являться причиной разрушения режущей кромки, так как разрушение нароста сопровождается усиленным выкрашиванием твердого сплава (вследствие его повышенной хрупкости).

На износ резцов с пластинками из твердых сплавов влияет и род обрабатываемого металла; титановольфрамовые сплавы, например, меньше изнашиваются при обработке стали и больше при обработке чугуна. Резцы, оснащенные минералокерамическими пластинками и эльбором Р, изнашиваются в основном по задней поверхности.

На износ резца большое влияние оказывает шероховатость (микрогеометрия) поверхности заточки резца. Чем менее шероховаты передняя и задняя поверхности резца, тем меньше трение между поверхностями контакта.

Зависимость величины износа от времени работы приведена на рис. 98. На рисунке можно выделить три участка. Участок I - период приработки (начальный износ), в который происходит сильное истирание наиболее выступающих частиц поверхности: чем чище будут поверхности трения, тем менее резко возрастает износ за одно и то же время. Участок II - период нормального износа: он характеризуется тем, что износ постепенно возрастает с увеличением времени работы (времени истирания). При достижении некоторого износа условия трения изменяются (главным образом сильно повышается температура резания) и наступает период III -период повышенного (катастрофического) износа. Приведенная на рис. 98 зависимость величины износа от времени работы больше соответствует износу по передней поверхности. При износе по задней поверхности участок I (рис. 15.1) выражен менее резко (рис. 15.2).

Рис. 15.1. Зависимость износа от времени работы.

Рис. 15.2. Зависимость износа резца из быстрорежущей стали от времени работы. а - по задней поверхности; б - по передней поверхности.

Для инструмента, оснащенного твердым сплавом, вследствие высокой твердости и незначительного ее уменьшения с повышением температуры почти не наблюдается периода повышенного износа..

Какой следует установить критерий износа резца? Износ резца до точки а (см. рис. 15.1) не будет экономичным, так как резец придется перетачивать слишком часто. При катастрофическом износе, соответствующем точке с, во время переточки резца придется удалить большой слой металла. При большом износе резца по задней поверхности увеличиваются силы резания, повышается температура резания, возрастает шероховатость обработанной поверхности, снижается точность обработки, появляются вибрации, что особенно недопустимо при чистовой обработке. Существует несколько критериев (признаков) износа резцов.

Критерий блестящей полоски. Резец считается изношенным и его надо перетачивать, когда при обработке стали на поверхности резания появляется блестящая полоска, а при обработке чугуна - темные пятна. Режущая кромка в отдельных местах начинает выкрашиваться: в этих местах резец производит большое смятие поверхности резания и как бы полирует ее.

Появление блестящей полоски соответствует началу третьего периода износа. При дальнейшей работе в течение 1 - 2 мин. произойдет полнее разрушение режущей кромки, и резец окончательно выйдет из строя. Следовательно, этот критерий нельзя применять на чистовых работах, а также при работе сложным и дорогим инструментом.

При работе резцами с твердосплавными пластинками заменить блестящую полоску бывает трудно, требуется также усиленное внимание, чтобы обнаружить темные пятна на поверхности резания и при обработке чугуна.

Силовой критерий (критерий Шлезингера). Резец считается затупленным, когда силы резания, особенно силы Р_у и Р_х, резко возрастают. К недостаткам этого критерия относится необходимость в специальных приборах для измерения сил, действующих при резании, а потому в цеховых условиях он неприменим.

Критерий оптимального износа. Под оптимальным износом подразумевается такой износ, при котором общий срок службы инструмента определяется как произведение количества переточек, допускаемых пластинкой при данном износе, на время работы (стойкость), за которое этот износ образовался, т.е.

М = К · Т, мин, (15.3)

где К - количество переточек, допускаемых пластинкой при данном износе;

Т - машинное время работы (стойкость) инструмента, соответствующее данному износу.

Количество переточек, допускаемых пластинкой при ее износе по передней поверхности (рис. 15.3, а),

(15.4)

где С - высота (толщина) пластинки в мм;

х - слой удаляемый при переточке по передней поверхности, мм;

Д = 0,1...0,2 мм - допуск на заточку (для удаления слоя, несколько большего, чем глубина лунки).

Пластинку обычно перетачивают не до основания, что и отражено в формуле коэффициентом 2/3.

Рис. 15.3. Элементы износа и заточки резца.

Количество переточек, допускаемых шириной пластинки при ее износе по задней поверхности.

(15.5)

где В - ширина пластинки в направлении, перпендикулярном главной режущей кромке; у - слой, удаляемый при переточке по задней поверхности., измеряемый вдоль ширины пластинки, в мм.

В свою очередь,

Y = р +Δ. (15.6)

Из рис.15.5, б (15.7)

(15.8)

(15.9)

Тогда

(15.10)

(15.11)

где среднее значение Δ=0,15 мм.

На рис. 15.4 показана зависимость общего времени работы резца от величины допустимого износа по задней поверхности; условия работы: ширина пластинки В-15 мм; у = 12°; a = 10°. Оптимальное значение допустимого износа по задней поверхности h_30nT = 1,3 мм, что соответствует 40 мин резания (см. рис. 15.2, а). Из рассмотренного примера следует, что оптимальный износ соответствует точке b (см. рис. 15.1), т.е. концу второго периода.

Рис. 15.4. Зависимость общего времени работы резца от износа по задней поверхности.

Критерий оптимального износа находит применение в исследованиях режущих свойств инструмента, предназначенного для предварительных (черновых) и получистовых работ. Он может быть использован и в производственных условиях для инструмента, предназначенного для обработки деталей массового производства, а также для инструмента, дорогого и сложного в изготовлении. К недостаткам этого критерия относится необходимость доведения резца при исследовании до значительного износа (почти до полного разрушения). Кроме того, в некоторых случаях (при обработке инструментом с твердосплавными пластинками) точка перегиба b (см. рис. 12.9), характеризующая начало катастрофического износа, отсутствует, хотя износ и достиг такой величины, так что дальнейшая работа резцом нецелесообразна.

Технологический критерий. Этот критерий применяется к инструменту, предназначенному для чистовой (окончательной) обработки. Сущность его заключается в том, что инструмент считается изношенным (затупленным), когда обработанная поверхность перестает отвечать техническим условиям. По этому критерию инструмент нуждается в переточке при износе меньше, чем при всех других критериях. Это объясняется тем, что изменение площади обработанной поверхности (микрогеометрии) вследствие износа инструмента наступает раньше, чем износ достигнет конца второго периода (см.рис. 15.1).

Влияние износа резца в радиальном направлении (размер а на рис. 15.3) при токарной обработке на изменение диаметра обработанной поверхности показано на рис. 15.5. При отсутствии износа (в начале работы) диаметр обработанной поверхности был d мм. В процессе резания по мере увеличения износа резца этот размер увеличивается, и при радиальном износе а он будет составлять d + 2а.

Рис. 15.5. Схема влияния износа резца на размер обработанной поверхности.

Стойкость резца, соответствующая определенной величине износа в радиальном направлении, называется размерной стойкостью. Период размерной стойкости инструмента особенно важен в автоматических линиях, нормальная работа которых возможна при условии стабильной работы режущего инструмента в течение заданного периода времени (обычно смены).

Наибольший период размерной стойкости для заданного инструмента будет при работе с такой скоростью резания, при которой (в совокупности с другими условиями обработки) интенсивность износа будет наименьшей: величина этой скорости для заданного материала инструмента с изменением других условий будет изменяться, но будет соответствовать постоянной температуре резания.

Достижением отечественной станкоинструментальной промышленности является разработка и использование в станках автоматических линий специальной "следящей" аппаратуры. Благодаря этим устройствам (так называемому активному контролю) при выходе размера обработанной поверхности за определенную величину в радиальном направлении, подается сигнал о необходимости замены инструмента, и тем самым поддерживается необходимый размер обработанной поверхности. Еще более эффективными являются системы активного контроля, которые при изменении в процессе резания каких-либо условий, влияющих на точность обработки (износа инструмента, величины припуска, твердости обрабатываемого металла и др.), автоматически изменяют элементы режима резания (t s, v) для поддерживания заданная точности. Эти системы повышают точность обработки в 2-4 раза при одновременном возрастании производительности и стойкости режущего инструмента.

Из рассмотренных критериев затупления наибольшее распространение находят критерий оптимального износа и технологический. В производственных условиях для резцов за критерий затупления принимается соответствующая величина. Износ по передней поверхности в меньшей степени влияет на протекание процесса резания. Он резко проявляется лишь при полном износе резца, который не может быть принят за оптимальный. В связи с этим износ по задней поверхности является чаще всего лимитирующим износом.

Для токарных проходных и подрезных резцов с пластинками из твердых сплавов величина износа по задней поверхности h₃, рекомендуемая в качестве критерия затупления, следующая:

1) при черновой обработке сталей 1,0-1,4 мм, при чистовой 0,4-0,6 мм;

2) при черновой обработке чугуна 0,8-1 мм, при чистовой 0,6-0,8.

Для отрезных резцов с пластинками из твердых сплавов h₃ = 0,8-1 мм. Для резцов с керамическими пластинками максимально допустимая величина износа h₃ = 0,6 - 0,8 мм. Для резцов из эльбора Р h_3max = 0,4 мм.

Более объективным показателем износа является не линейный размер h₃, а величина интенсивности износа, выраженная в кубических миллиметрах или в миллиграммах изношенной массы инструмента за 1 м. пути резания или приходящаяся на 1 см² обработанной поверхности. Величина относительного износа - отношение износа по задней поверхности h₃ или величины радиального износа к длине пути резания или к площади обработанной поверхности.