Износ и стойкость токарных резцов

При увеличении скорости резания v, подачи S и глубины резания t увеличивается объем материала, снимаемый в единицу времени, т. е. увеличивается производительность. Но наступает момент, когда дальнейшее повышение значения режима резания приводит к быстрому износу инструментов, узлов станка и оборудования. Производительность падает, а себестоимость возрастает. Основным фактором здесь является значительный расход режущего инструмента, снижающий экономичность производства. Поэтому борьба за продление срока службы инструмента есть борьба за производительность и экономичность обработки.

Разрушение режущей части резца, оснащенной различными инструментальными материалами, может происходить путем абразивного воздействия (образования лунки на передней поверхности резца и площадки – на задней поверхности (рис. 5.1)), выкрашивания (при наличии адгезионно-усталостного, а иногда и диффузионного износа) и осыпания (мгновенное лавинное разрушение пластинок из минералокерамики, кристаллов алмазов и эльбора).

Износ инструментов происходит по определенным закономерностям. При рассмотрении процесса образования площадки износа на задней поверхности резца (размер h_з) можно установить следующее. В начале работы поверхности инструмента прирабатывается и несколько округляется режущая кромка (рис. 5.2).

Рис. 5.2. а - изменение величины износа h₃ резца по задней поверхности с увеличением времени его работы; б – изменение размера обрабатываемой детали при разных величинах износа

 

Зона I – зона начального износа (h_I ~ 0, 05...0, 1мм). Постепенно величина износа достигает определенного значения, допустимого без ухудшения чистоты и точности обработки (II – зона нормального износа h_II ~ 0, 3...0, 5мм). Дальнейшая работа приводит к резкому возрастанию износа по задней и передней поверхностям и разрушению режущего лезвия (III – зона «катастрофического» износа). Если не допускать работу инструмента в зоне III, то срок его службы значительно увеличится.

Время работы резца до допустимой величины износа, определяемой критерием затупления, называется периодом стойкости Т и выражаются в минутах (секундах), в единицах длины пути режущей кромки L или по величине срезаемой площади F_С. Стойкость является одной из важнейших характеристик работоспособности инструмента.

Для определения оптимального износа пользуются критериями затупления.

Визуальные критерии – при значительном износе резца по задней поверхности возрастают силы трения и на поверхности резания появляется блестящая полоска или темные пятна, слышен характерный скрип (резец начинает работать в зоне III). Несмотря на широкое применение этого критерия на практике, он очень субъективен и требует большого производственного опыта токаря.

Определение момента прекращения работы путем измерения величины площадок и лунок износа. При точении жаропрочных, титановых и тугоплавких сплавов величина допустимого износа h_II = 0, 3..0, 5 мм, а при точении сталей доходит до h_II = 0, 8.. 1 мм.

Технологические критерии связаны с погрешностями обработки, возникающими при износе инструмента, например: увеличение микронеровностей на обработанной поверхности, увеличение диаметра (с D₀ до D_III – см. рис. 5.2, б) обработанной поверхности детали («размерный износ») или вследствие затупления вершины резца («радиальный износ»).

Для анализа характера протекания износа инструментов вводятся понятия: «критерий равного износа» и «критерий оптимального износа». Критерий оптимального износа целесообразно применять в автоматизированном производстве (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Критерии равного и оптимального износа при скоростях резания

v₁> v₂> v₃: 1 – 2 – 3 – линия равного износа, 3 – 4 – 5 – линия оптимального износа

 

Величина периода стойкости Т находится в тесной взаимосвязи и взаимозависимости от условий обработки T = f(v, S, t, γ, α) и свойств материалов. Исследование зависимости позволяет в определенном диапазоне изменения скоростей резания установить связь:

 

(5.1)

 

где m – показатель относительной стойкости;

А – эмпирический коэффициент, зависящий от условий обработки и свойств материалов.

Величина m, характеризующая интенсивность изменения стойкости, играет значительную роль при оценке работоспособности режущих инструментов (находится по справочникам, например для точения m = 0, 1...0, 4).

Учитывая условия обработки и свойства материалов, на основании многочисленных экспериментов зависимость имеет вид

 

(5.2)

 

Необходимо отметить, что при обработке материалов, дающих горбообразный характер кривых зависимости , использование формул степенного вида (5.2) дает определенные погрешности. Для расчетов режимов резания созданы аналитические зависимости, учитывающие особенности физики процесса резания.

Большое практическое значение имеет правильный выбор периода стойкости инструмента. Для оценки производительности и экономичности обработки рассматривают комплекс периодов стойкости:

1) T_max – максимальный период стойкости, соответствующий точке максимума кривых ;

2) T_опт – период стойкости, соответствующий оптимальной скорости резания v_опт. При работе на оптимальной скорости v_опт интенсивность износа наименьшая, а размерная стойкость наибольшая;

3) T_maxпр – период стойкости, соответствующий максимальной производительности;

4) T_эк – экономический период стойкости, соответствующий наименьшей себестоимости обработки и наибольшей производительности.

Величины T_max и T_опт связаны с характеристиками физических процессов при резании, а T_maxпр и T_эк определяются стоимостью станка и инструмента, а также организационно-техническими условиями их эксплуатации. Построение зависимостей (5.2), определяющих связь между v, S, t и T при обработке конкретных материалов, требует проведения большого количества экспериментов. Для проходных резцов (при одноинструментальной обработке) выбирается Т ~ 30; 60; 90 мин, а для резьбовых и фасонных резцов Т ~ 90, 120 мин. При работе на оптимальных скоростях резания резец обладает наибольшей размерной стойкостью.