Износ и стойкость режущего инструмента. 
Параметры износа

Износ инструмента непосредственно влияет на точность и производительность обработки. В результате износа происходит затупление режущей кромки инструмента, снижающее его режущие свойства. При затуплении нарушаются условия стружкообразования, возрастают силы резания, ухудшаются точность обработки и качество обработанной поверхности, снижается производительность.

Основные виды износа инструмента приведены на рис. 31.9. Эго износ, но передней, задней поверхностям резца, комбинированный износ и деформация режущего клина.

По механизму затупления режущей кромки условно выделяют следующие виды износа инструмента: макрои микросколы, пластическая деформация, абразивно-механический, абразивно-химический, адгезионно-усталостный и диффузионный.

Хрупкие микросколы возникают в твердосплавном инструменте из-за попадания в зону обработки крупных частиц повышенной твердости. Это может быть неустойчивая часть нароста или частицы оксидов и формовочных смесей при обработке отливок и поковок.

Микросколы режущей кромки возникают под действием изгибающих напряжений, превышающих допустимые, особенно при ударных нагрузках.

Рис. 31.9. Характер износа режущего клина:

а — износ по передней поверхности; б — износ по задней поверхности; в — износ по передней и задней поверхностям; г — пластическая деформация; 1,3 — зоны упругой деформации; 2 — зона ползучести; /, h_n — длина и глубина лунки; / — размер фаски; h_y, h_a — размер опускания передней поверхности и выпучивания, но задней поверхности; Л₃ — длина площадки износа; 7J, — трещина (скол).

Пластическая деформация. В процессе резания инструментами из быстрорежущих и углеродистых сталей наблюдается пластическое деформирование режущего клина, приводящее к опусканию передней и выпучиванию задней поверхности (рис. 31.9, г). В результате опускания передней поверхности изменяется передний угол у и, соответственно, ухудшаются условия резания.

Ползучесть и разрушение режущей кромки. Деформирование режущего клина в результате пластической деформации металла происходит в зоне изотерм, которые простираются от передней к задней поверхности инструмента (рис. 31.9, г). По этим изотермам (350—500°С) и при постоянной нагрузке на инструмент наблюдается процесс ползучести.

В результате ползучести материала в зоне 2 на границе с зонами 1 3 накапливаются высокие степени деформаций. Происходит дислокационное упрочнение, вызывающее хрупкое разрушение твердосплавного инструмента на границе зон 1 и 2. Длительность работы инструмента до скола увеличивают снижением интенсивности процесса ползучести за счет увеличения сечения режущего клина, повышения твердости кобальтовой связки при легировании вольфрамом, увеличения теплопроводности твердого сплава.

Абразивно-механический износ инструмента обусловлен микроцарапанием и разрушением передней и задней поверхностей инструмента твердыми компонентами обрабатываемого материала (карбидами, нитридами, упрочняющими интерметаллидными фазами, оксидами) и мелкими частицами периодически разрушающегося нароста. Абразивному изнашиванию подвергается инструмент из углеродистых, легированных, инструментальных, а также быстрорежущих сталей.

Абразивно-химический износ инструмента происходит, когда в составе СОЖ содержатся химически активные вещества, ослабляющие поверхностное натяжение инструментального материала. В результате облегчается процесс абразивного разрушения материала при микроцарапании.

При нагреве твердых сплавов до 600—800°С происходит поверхностное окисление кобальтовой фазы, карбидов вольфрама и титана с образованием поверхностных пленок, твердость которых в 40—50 раз меньше твердости исходного материала. Это создает условия для более интенсивного абразивно-химического изнашивания.

Адгезионно-усталостное изнашивание инструмента является результатом схватывания инструментального и обрабатываемого материала с последующим вырывом частиц инструментального материала. Наиболее активно адгезионное изнашивание протекает при температуре 0,35—0,5 от температуры плавления материала инструмента и невысокой разности твердостей инструментального и обрабатываемого материалов.

Периодически повторяющиеся схватывание и разрушение адгезионных связей вызывают циклическое нагружение контактных участков инструментального материала, приводящее к его усталости. Развитие усталостных процессов ведет к последующему разрушению металла в виде выкрашивания и сколов. В этих условиях инструментальный материал, обладающий высокими значениями циклической прочности и ударной вязкости, лучше сопротивляется адгезионному изнашиванию.

Диффузионное изнашивание инструмента протекает при таких условиях резания, когда между обрабатываемым и инструментальным материалами устанавливаются устойчивые адгезионные связи и при температурах выше 850 °C происходит взаимная диффузия инструментального и обрабатываемого материалов. Этот вид изнашивания в большей степени характерен при обработке инструментом из твердых сплавов, металлокерамики и алмазным инструментом. При высокотемпературном контактном взаимодействии происходят следующие процессы: диссоциация карбидов и последующая диффузия их элементов (С, W, Ti) в обрабатываемый материал, т. е. прямое диффузионное растворение; встречная диффузия металлических элементов обрабатываемого материала в связующую фазу твердых сплавов, снижающая ее механические свойства.

В процессе резания с поверхностями инструмента контактируют непрерывно всегда меняющиеся новые участки стружки и обрабатываемой поверхности детали, что сохраняет исходный перепад концентраций компонентов, способствуя высокой скорости диффузионного изнашивания инструмента.

Реально на практике затупление режущего инструмента происходит в результате одновременно протекающих различных видов износа и пластического деформирования режущей кромки. Так, при резании быстрорежущим инструментом затупление происходит в результате абразивного, адгезионного износа и пластической деформации режущей кромки.

Параметры износа и стойкости режущего инструмента характеризуют степень допустимого износа инструмента и время его работы до замены или переточки. Они относятся к основным технологическим параметрам процесса резания.

За критерий оптимального износа инструмента принимают значение износа, но задней поверхности h_s (см. рис. 31.9, б), обеспечивающее максимальный срок службы инструмента при сохранении режущих свойств, он обозначается /г_з0 [мм].

Зависимость износа инструмента от времени обработки при фиксированной скорости резания приведена на рис. 31.10. Из нее следует, что износ во времени описывается нелинейной функцией и его можно разбить на три периода: участок быстрого износа режущей кромки называют периодом приработки (I); участок, при котором скорость затупления является минимальной, называют периодом нормального износа (II); участок, при котором происходит усиленный износ, заканчивающийся посадкой (затуплением) инструмента, называют периодом усиленного износа (III).

Условия экстремума функции h₃ = f (t) выполняются в точке В с минимальным значением износа /г_ло, при котором срок службы инструмента получается наибольшим, равным Т. Под стойкостью инструмента Т понимают время его работы между двумя переточками. Стойкость токарных резцов колеблется от 30 до 90 мин. Суммарный период полной стойкости инструмента М, с учетом числа переточек К за весь период эксплуатации, определяется по формуле М = ТК.

Стойкость инструмента, так же как и его износ, в наибольшей степени зависит от скорости резания, определяющей темне;

Рис. 31.10. Зависимость износа от времени обработки:

I — участок приработки; II — период нормального износа; III — период усиленного износа; h₃ — длина износа; Т — стойкость инструмента ратуру в зоне резания. Эта зависимость выражается степенным законом.

где С — эмпирическая константа; т — показатель, учитывающий материал инструмента и обрабатываемой детали.

Для твердосплавного инструмента при обработке сталей и алюминиевых сплавов т = 5; 3, а для быстрорежущих инструментальных сталей при обработке сталей, медных и алюминиевых сплавов соответственно 8; 6; 3. Если экспериментально установлена максимальная стойкость Г₀ при скорости резания vq, то стойкость при скорости v определяется из выражения (31.1):

Из формулы (31.2) следует, что увеличение скорости резания v по сравнению со скоростью ведет к существенному снижению стойкости Г инструмента. Поэтому выбор скорости резания существенно влияет на стойкость инструмента.