2.3.5. Температура задних поверхностей инструмента

Температура задней поверхности режущего лезвия является результатом действия двух источников тепла: застойной пластической области, соприкасающейся с линией среза на участке h₁, и фаски износа h₃. Если на передней поверхности режущего лезвия имеется упрочняющая фаска, то высота застойной зоны увеличивается на величину участка h₂.

При отсутствии упрочняющей фаски на передней поверхности режущего инструмента закон распределения плотностей тепловых потоков может быть представлен в виде двух равномерно распределенных источников тепла: плотностью q₀ на участке (0, h₁ ) и плотностью q₃ на участке ( h₁, h₃ ), действующих на поверхности, движущейся со скоростью v детали (рис. 2.29).

Рис. 2.29. Схема распределения плотности теплового потока на задней поверхности при резании: 1 – зона стружкообразования;

2 – застойная зона; 3 – фаска износа

Заменим два заданных источника тепла одним источником плотностью q₀ , равномерно распределенным на участке (0, h₁+ h₃ ), и одним равномерно распределенным стоком тепла плотностью q₀ – q₃ , действующим в интервале (h₁, h₁+ h₃  ). В этом случае температура на фаске износа равна:

, (2.82)

где

Влияние застойной зоны выражается в том, что из-за разности плотностей тепловых потоков на участках застойной зоны и фаски износа температура достигает максимума непосредственно на режущей кромке.

При средних и толстых срезах именно значения этой максимальной температуры в большинстве случаев определяют допускаемые скорости резания. По мере износа инструмента, т. е. с увеличением ширины фаски износа, температура уменьшается, достигает точки минимума и только после этого снова возрастает (рис. 2.30).

Расчет температуры при других способах лезвийной обработки может быть выполнен по описанной методике с учетом специфики этих способов. Так. например, для фрезерования характерны весьма тонкие срезы. В этом случае может быть рассчитана только температура задней поверхности, значения которой выше, чем температура передней поверхности. Особенность расчета в том, что должно быть учтено влияние потока тепла в режущий инструмент. Поправочный коэффициент K_и на температуру задней поверхности с учетом теплового потока, поступающего в зуб фрезы, определится по формуле

(2.83)

Рис. 2.30. Влияние ширины фаски износа на распределение

температуры (а) и на среднюю температуру (б) при точении

стали 60 HB=2750 МПа, резцом Т5К10, , _f0, v=22 м/мин, s=1,5 мм/об, t=4 мм

При высоких скоростях резания, больших значениях ширины фаски износа, при резании прочных материалов, то есть при условиях, соответствующих высоким температурам, для расчета температуры задней поверхности необходимо применять процедуру «ТЕРМ», описанную выше. В этом случае расчет производится по специальным программам, учитывающим взаимосвязь температуры и предела текучести.

2.4. ИЗНАШИВАНИЕ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ

И РАЦИОНАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РЕЗАНИЯ

2.4.1. Характеристики износа, изнашивания,

износостойкости и критерии затупления режущего

инструмента

Режущие инструменты изнашиваются по задним и передним поверхностям. Изнашивание задних и передней поверхностей происходит одновременно. По мере изнашивания инструмента на его задних поверхностях возникает и увеличивается фаска износа (рис. 2.31).

а) б)

Рис. 2.31. Схема износа задних поверхностей на участке главной режущей кромки и вблизи вершины режущего лезвия: a) в секущих плоскостях, б) в плоскости резания

Ширина фаски износа используется в качестве одной из характеристик износа. Она может быть неодинаковой по длине режущих кромок. При несвободном резании очень часто наибольшая ширина фаски износа наблюдается в окрестности вершины инструмента. Отношение ширины фаски износа у вершины режущего лезвия к ширине фаски износа на главной задней поверхности характеризует неравномерность износа задних поверхностей инструмента.

Неравномерность износа задних поверхностей уменьшается при уменьшении действительных углов в плане в окрестности вершины на участке длиной (1,5–2,0) S. Это может быть достигнуто увеличением радиуса закругления вершины инструмента.

Исследования показывают, что, как правило, при r/S  10 отношение h_в/h₃  1,0.

Ширина фаски износа задней поверхности измеряется с помощью микроскопов с относительно небольшим (двадцатикратным) увеличением. Предельная ширина фаски износа h₃^* обычно используется в качестве одного из критериев затупления инструмента.

При обосновании рациональной ширины фаски износа с целью использования ее в качестве критерия затупления учитываются: общее время работы инструмента с учетом допускаемого числа переточек (суммарная стойкость инструмента), минимизация затрат на обработку, ограничения по прочности режущего лезвия, возникновение катастрофического износа или вибраций, требования к качеству обработанной поверхности и точности обработки и др.

С тангенциальным износом связана другая характеристика – нормальный износ h_n или у вершины инструмента – радиальный износ h_r (рис. 2.32):

(2.84)

Рис. 2.32. Схема к расчету соотношения между тангенциальным и нормальным износами инструмента

Удвоенная величина радиального износа определяет погрешность обработки, связанную с износом инструмента. Это должно учитываться при назначении допуска на диаметр обработанной поверхности или при определении допускаемых погрешностей, связанных с упругими перемещениями инструмента по нормали к обработанной поверхности детали в процессе резания.

С физической точки зрения использование нормального износа в качестве характеристики износа предпочтительнее, чем тангенциального (ширины фаски износа). Понятие нормального износа сохраняется и для передней поверхности инструмента. Это позволяет применить единый подход к описанию процессов изнашивания задней и передней поверхностей.

Форма износа передней поверхности зависит от того, в каком месте происходит наибольший нормальный износ. Если наибольший нормальный износ удален от режущей кромки, то на передней поверхности образуется лунка (рис. 2.33, а).

а) б)

Рис. 2.33. Схемы износа передней поверхности инструмента

в виде: a) образования лунки, б) опускания режущей кромки

При этом действительный передний угол увеличивается, а наибольший нормальный износ характеризует глубину лунки. Если же максимальный нормальный износ передней поверхности происходит вблизи режущей кромки, то наблюдается округление и опускание режущей кромки, вследствие чего действительный передний угол режущего лезвия уменьшается (рис. 2.33, б).

Образование лунки на передней поверхности характерно для таких условий резания, когда температура передней поверхности резко возрастает по мере удаления от режущей кромки и достигает максимума на участке внешнего трения стружки с инструментом. При этом вблизи режущей кромки в области невысоких температур возникает устойчивая застойная зона, близкая по своим свойствам к наросту. Это характерно для обработки сталей твердосплавными инструментами. Опускание режущей кромки характерно для более равномерного распределения температуры в направлении схода стружки и неустойчивой застойной зоны, не обеспечивающей схода стружки под увеличенным передним углом. Это наблюдается при обработке высокопрочных материалов с низкой теплопроводностью (например, для обработки сплавов на никелевой основе, титановых сплавов). При этом из за меньших применяемых скоростей резания температура изменяется в направлении схода стружки не столь сильно и высокий уровень температуры достигается в значительной мере за счет температуры деформации. В сочетании с большими нормальными контактными нагрузками высокие температуры на задней и передней поверхностях способствуют опусканию режущей кромки из-за износа и пластических деформаций.

При износе передней поверхности критерием затупления может служить допускаемое изменение переднего угла ^, которое может быть связано с нормальным износом h_n. Увеличение переднего угла приводит к уменьшению угла заострения режущего клина и ограничивается хрупкой прочностью инструмента, а уменьшение переднего угла приводит к росту температуры и сил резания и также должно быть ограничено.

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. 2.34), коэффициент неравномерности износа инструмента K_н=h_в/h_г зависит от отношения подачи к радиусу закругления вершины режущего лезвия или от угла в плане переходной кромки, измеренного на расстоянии подачи от вершины.

Рис. 2.34. Влияние отношения S/R и угла переходной режущей кромки на неравномерность износа при точении резцами ВОК60 стали 25ХГТ, HRC35 и резцами Т15К6 стали 45, R=0,25;

1,0 и 4,0 мм, S= 0,1–0,4 мм/об

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

К_н=4S/R+0,6. (2.85)

Процесс изнашивания инструмента может быть охарактеризован изменением характеристик износа инструмента (h₃, h_n) в зависимости от пути L резания. В простейшем частном случае зависимости h(L) могут быть линейными, однако в общем случае параметры износа нелинейно изменяются с ростом пути резания (рис. 2.35).

Производные от параметров износа по пути резания в каждый конкретный момент времени резания (или при конкретном значении пройденного пути резания) называют интенсивностями изнашивания поверхностей инструмента:

(2.86)

Рис. 2.35. Различные зависимости характеристик износа

инструмента от пути резания:

1 – линейная, 2 – выпуклая, 3 – вогнутая, 4 – типичная кривая

с выпуклым, линейным и вогнутым участками

Имея зависимости параметров износа от пути резания (кривые износа) h(L), можно определить интенсивности изнашивания _L3(L) и _Ln(L) графическим дифференцированием. Для экспериментального определения интенсивностей изнашивания в окрестности фиксированного значения параметра износа не требуется иметь всю кривую износа h(L) (рис. 2.36).

Характеристики износостойкости инструмента определяются при достижении одним или несколькими параметрами износа предельных значений – критериев затупления по задней h₃^ либо передней h_n^ поверхностям. В качестве критериев затупления могут использоваться и другие прямые или косвенные характеристики износа, например: изменение переднего угла , достижение некоторого предельного уровня шероховатости обработанной поверхности, интенсивности изнашивания инструмента и т. д.

Рис. 2.36. Зависимости ширины фаски износа от пути резания

при точении сплава ЭП742 ВД, ВК8, =10 =45 R=1 мм, S=0,14 мм/об, t=1,5 мм:1 – v=0,05 м/с, 2 – v=0,1 м/с, 3 – v=0,17 м/с,

4 – v=0,37 м/с

Одной из характеристик износостойкости является путь резания L^ (см. рис. 2.35). Большему пути резания, пройденному до достижения критерия затупления, соответствует более высокая износостойкость инструмента.

С практической точки зрения во многих случаях удобнее использовать не путь резания L^, а связанное с ним время работы инструмента до достижения одного из критериев затупления. Это время называют стойкостью Т (или периодом стойкости) инструмента. При резании с постоянной скоростью v стойкость Т = L^ / v.

Кроме стойкости T, пути резания L^, в качестве характеристики износостойкости применяют также площадь обработанной поверхности F^ = L^S = vST [1]. Эта характеристика используется для обоснования выбора подачи и скорости резания в тех случаях, когда обрабатывают большие поверхности деталей с высокими требованиями к качеству обработанной поверхности или когда до замены инструмента необходимо обработать заданное количество деталей (т.е. заданную площадь обработанной поверхности).

Путь резания L^, стойкость T, площадь F^ обработанной до затупления поверхности и средние интенсивности изнашивания _3,ср , _п, ср являются интегральными характеристиками: они зависят от изменения скорости резания, интенсивностей изнашивания инструмента и критериев затупления. В связи с этим при задании характеристик износостойкости необходимо указывать критерии затупления, которым они соответствуют.

Опыты по изучению интегральных характеристик износостойкости инструментов весьма трудоемкие, длительные и дорогие. Исследование интенсивностей изнашивания может быть выполнено с меньшими затратами материалов и времени. Износостойкость инструмента является одним из наиболее важных его качеств. Чаще всего уровни стойкости T либо площади обработанной поверхности F^ задают в качестве требований к инструменту на основании технологических ограничений или экономической целесообразности. Эти требования к износостойкости инструмента учитываются при выборе марки инструментального материала, расчете допускаемых режимов резания и назначении рациональных геометрических параметров инструмента.