книги / Надежность и диагностика технологических систем

5.2. Особенности повреждений и отказов режушего инструмента

191

Величина размерного износа является функцией следующих параметров:

U = F(L, V, HRC3,a1I3,HRC„,а1Ш

(5.5)

где L — длина пути резания, м; V — скорость резания, м/мин; HRC3, аиз, HRC„, ани — соответственно твердость ц ударная вяз­ кость материала заготовки и инструмента; t — температура в зоне резания; k — коэффициент трения.

На процесс износа влияют и другие физико-механические, химические и структурно-фазовые характеристики взаимодей­ ствующих материалов: коэффициент взаимной адгезии; нали­ чие и свойства СОТС; относительное удлинение; пределы прочно­ сти и пластичности; теплопроводность и др.

Практика показала, что у быстрорежущих сталей и твердых сплавов нормальный износ происходит по задней поверхности резца. Этот фактор является в технологическом смысле поло­ жительным, поскольку инструмент может работать при износе по задней поверхности до величин порядка 1мм. У инструмента из легированных и углеродистых сталей из-за износа происхо­ дит скругление режущей кромки.

Геометрические критерии величин износа лезвийных инстру­ ментов приведены в табл. 5.2, где в числителе показаны допусти­ мые величины износа при черновой обработке, а в знаменателе — при чистовой.

Таблица 5.2

Предельные величины износа инструментов в автоматизированном производстве, мм

				Обрабатывае­	Материал инструмента
	Инструмент		Эскиз		Быстроре­	Твердый
				мый материал	жущая
					сталь	сплав
		1	^	Сталь	1,0-1,3	0,5 -0,8
	Проходной				0,6 -0,8	0,4 -0,6
	резец	*	'Х у	Чугун	1,6-1,8	1,0-1,3
					0,6 -0,8	0,6 -0,8
				Сталь	1,0-1,3	0,5 -0,7
	Подрезной				0,6 -0,8	0,4 -0,7
						0,7-1,0
	резец			Чугун	1,6-1,8
					1,0-1,3	0,5 -0,7

5.2. Особенности повреждений и отказов режушего инструмента

193

Окончание табл. 5.2

За период стойкости инструмента в связи с износом положение его режущей части должно корректироваться (поднастраиваться) при достижении предупредительной зоны К (см. рис. 5.3). Частые переточки инструмента проводить не рекомендуется, так как это снижает срок его эксплуатации. С увеличением износа значи­ тельно (в 1,5...2 раза) увеличиваются силы и мощность резания, что приводит к повышенным деформациям элементов ТС, увели­ чению температуры в зоне резания и росту суммарной погреш­ ности обработки.

При работе также подвергаются износу и шлифовальные круги. Они могут работать в режиме затупления и самозатачи­ вания (самовозобновления). При самозатачивании износившие­ ся зерна абразива вырываются с поверхности круга и в работу

194	5. Надежность режушего инструмента

включаются новые зерна. Если связка кругов достаточно проч­ ная, то затупившиеся в результате износа зерна остаются на по­ верхности, а поры круга забиваются частицами стружки, масел и технической грязи. В результате режущая способность кругов утрачивается и их приходится править алмазными или твердо­ сплавными карандашами, удаляя поверхностный слой. Счита­ ется, что для шлифовальных кругов на основе электрокорунда их износ по объему в 20 раз меньше, чем объем снимаемого ме­ талла. При таком допущении величину радиального износа U шлифовального круга можно оценить на основании равенства

(5.6)

где F — площадь обрабатываемой поверхности детали; г. — ве­ личина снимаемого припуска; Е* — величина площади рабочей поверхности круга; Ки — коэффициент относительного износа (К* = 20).

Из приведенного соотношения получаем формулу для расче­ та износа круга:

V = F-z/Fk-KK,

(5.7)

При использовании для чистовой обработки кругов на основе сверхтвердых материалов и алмазов величина износа уменьша­ ется в 100...200 раз, т.е коэффициент относительного износа в этих случаях равен Кя = 2 •103. Из формулы видно, что чем больше диаметр круга, тем меньше его радиальный износ.

Специфическим фактором, приводящим к отказам, является наростообразование, т.е. появление на передней поверхности резца слипшихся с инструментальным материалом частиц ма­ териала заготовки. Появление нароста зависит в значительной мере от скорости резания. При малых скоростях резания склон­ ные к слипанию частицы не образуются. При очень больших скоростях кинетическая энергия резания достаточна для того, чтобы слипшиеся слои срезались вновь поступающей стружкой. При работе на средних скоростях наростообразование наиболее интенсивно.

На резцах в месте нароста (рис. 5.4) образуется зона непод­ вижного застоя 1 и зона относительно подвижного нароста 2. Зона А оказывает влияние на величину образующейся шерохо­ ватости. Размеры Б, В, е определяют фактическую величину

5.2. Особенности повреждений и отказов режущего инструмента

195

нароста. Наростообразование в известной степени уменьшает износ по передней и задней поверхностям резцов. Однако с по­ явлением нароста значительно увеличивается шероховатость обрабатываемой заготовки, что при окончательной (чистовой) обработке недопустимо.

Рис. 5.4. Схема образования нароста на передней поверхности резца

На рис 5.5 приведен график влияния скорости резания на ве­ личину нароста и шероховатость обрабатываемой поверхности. Сначала при увеличении скорости резания величина нароста и шероховатость поверхности возрастают. Наибольшей величи­ не шероховатости соответствует область максимального нароста. При дальнейшем повышении скорости резания кинетическая

Рис. 5.5. Влияние скорости резания на шероховатость обрабатываемой детали (по П.Е. Дьяченко)

196 5. Надежность режушего инструмента

энергия стружки резко возрастает пропорционально квадрату скорости, поэтому образующийся нарост срывается с передней грани резца. Величина нароста и шероховатость поверхности уменьшаются.

Инструментальные материалы с пониженной пластичностью и вязкостью (твердые сплавы) при значительной глубине резания склонны к выкрашиванию режущих кромок, т.е. отрыву при реза­ нии от поверхности резца относительно крупных частиц размера­ ми до нескольких десятых долей миллиметра. Выкрашиванию способствуют повышенные режимы резания, недостаточная пла­ стичность и относительная ударная вязкость инструментального материала, наличие на поверхности заготовок зон повышенной твердости или включений в виде частиц абразива, например ос­ татков песка от литейных форм. Выкрашивание является не­ благоприятным фактором, который может привести к быстрому выходу инструмента из строя и даже к его поломке.

Сколы режущей части инструмента происходят, как правило, в конце периода нормального износа, когда режущие кромки оказываются в значительной степени затупленными, а также при внезапном увеличении снимаемого слоя припуска. В обоих слу­ чаях происходит значительное увеличение силы резания, приво­ дящее к увеличению касательных напряжений, под действием которых от режущей кромки откалываются значительные куски.

Сколам может предшествовать появление микротрещин под действием градиента температур и динамических факторов при нестабильном, прерывистом резании. Сколы и трещины приво­ дят инструмент в неработоспособное состояние.

Важное значение при резании приобретают образование и уда­ ление стружки. Желательно получение стружки в виде относи­ тельно некрупных частиц, которые могут быть легко удалены. Так называемая сливная стружка, имеющая вид длинных витых полос, загромождает зону резания и способна к наволакиванию. Она может вторично попадать под режущие кромки инструмен­ та, что ведет к увеличению сил резания.

Наволакивание стружки особенно опасно для осевого инстру­ мента, когда она может полностью забить канавки, служащие для ее удаления, и привести к заклиниванию с последующей полом­ кой инструмента или инструментальной оснастки. Это становится причиной неисправимого брака. Наволакиванию стружки пре­ пятствуют наличие у резцов специальных стружколомающих

5.2. Особенности повреждений и отказов режушего инструмента

197

элементов, подбор оптимальных режимов и циклов обработки, предусматривающих специальные действия для очистки зоны резания посредством подачи СОТС под давлением, периодический вывод инструмента из зоны обработки для самоочистки от струж­ ки. Главным фактором для образования прерывистой стружки следует считать создание оптимальной геометрии и конструкции инструмента с элементами и устройствами для стружколомания. Эффективен также правильный подбор режимов термообработки заготовки. Например, применение нормализации вместо отжига снижает пластичность материала заготовки и создает более благо­ приятные условия для стружколомания. В ряде случаев могут оказаться полезными применение вибрационных и ультразву­ ковых воздействий.

Разрушение или поломка инструмента (например, державки резца) происходит при напряженныхрежимахрезания, а также при аварийных ситуациях, например при ударе на быстром ходу резцом о неподвижные элементы станка. Причинами поломки инструмента часто являются ошибки в прочностном расчете ин­ струмента и режимов обработки. Поломка инструмента и сколы могут привести к травмам операторов станков, поэтому при ра­ боте необходимо использовать ограждения и защитные экраны, а также соблюдать правила техники безопасности.

Повреждения и отказы абразивного инструмента могут быть связаны с засаливанием, износом, выкрашиванием, сколами и разрушением шлифовальных кругов под действием центро­ бежных сил. Разрушение кругов может привести к тяжелым последствиям. Поэтому шлифовальные круги следует периоди­ чески контролировать визуально и проводить предварительные испытания на прочность при повышенных скоростях враще­ ния. Кроме того, шлифовальные круги, работающие на высокой скорости, могут иметь остаточную неуравновешенность (дисба­ ланс), которая вызывает сильные вибрации, повышенные ди­ намические нагрузки на шпиндель станка и может привести к разрушению шлифовальных кругов.

Согласно ГОСТ 3060-86, допускается четыре класса неуравно­ вешенности. Наиболее качественные круги типа АА с повышен­ ным содержанием основной фракции имеют наименьшую неурав­ новешенность, соответствующую классу 1. Круги типа А могут иметь классы неуравновешенности 1 и 2, а круги типа Б — классы 3 и 4. В автоматизированном производстве применяются

198 5. Надежность режущего инструмента

шлифовальные круги только типов А А и А . Круги для высоко­ скоростного шлифования при скоростях 70...80 м /с и более кон­ струируются с применением армирующих стеклопластиковых сеток, мелкозернистых связок, высокопрочных термопластич­ ных пропиток и др.

В процессе чернового и обдирочного шлифования нагрузки на шлифовальные круги достаточно высокие, и они работают в режиме самозатачивания, когда может происходить потеря формы и профиля кругов.

При чистовом и тонком шлифовании нагрузки на абразивные зерна невысоки и они после некоторой наработки затупляются. Поры кругов заполняются различными металлическими и неме­ таллическими частицами (засаливаются), что приводит к сниже­ нию режущих свойств абразива, увеличению давления на заго­ товку, появлению на отшлифованных деталях огранки и прижогов, что является браком. Для восстановления правильной формы и размеров шлифовальных кругов, а также режущих свойств они подвергаются правке обтачиванием высокопрочными и твердыми правильниками (например, алмазными), обкатыванием твердо­ сплавными роликами и т.п.

А н а л и з п о в р е ж д е н и й и п у т и п о в ы ш е н и я н а д е ж н о с ти р е ж у ш и х и н с т р у м е н т о в

ву с л о в и я х а в то м а ти з и р о в а н н о го

пр о и з в о д с тв а

Для обеспечения надежности й стойкости инструментов сле­ дует проводить прочностные расчеты и находить оптимальную геометрию режущих кромок. При изготовлении инструмента следует соблюдать строгую технологическую дисциплину (осо­ бенно при выполнении операций термообработки, шлифования, доводки, сборки и заточки). Необходимо проводить тщательный приемочный контроль и испытания данной продукции, находить оптимальные режимы резания, правильно выбирать СОТО, кон­ тролировать состояние инструмента, соблюдать режимы смены, переточек и т.п.

5.3. Анализ повреждений и пути повышения надежности

199

Большое значение имеет правильный подбор геометрии режу­ щей части и режимов резания. Иногда в результате исследова­ ний можно получить, казалось бы, парадоксальные результаты. В частности, при точении резцами из твердого сплава ВК8 стали ВМ1 с содержанием вольфрама и молибдена при низких скоро­ стях резания (до 30 м/мин) интенсивность износа относительно высокая. При повышении скоростей резания не менее чем в 2 раза происходит рост энергозатрат и температуры в зоне резания, что влечет за собой увеличение вязкости твердого сплава и уменьше­ ние как адгезионного износа, так и износа в результате выкра­ шивания.

Завышенные скорости резания при достаточно большом сни­ маемом за один проход припуске приводят к сильному нагреву на режущем клине резцов. В этом случае возможны появление термических микротрещин, химическое и структурно-фазовое изменение поверхности резца и диффузное растворение инстру­ ментального материала в материале заготовки. Последнее явля­ ется одним из видов химического износа. Известно, что алмазным инструментом невозможно обрабатывать сплавы железа из-за ин­ тенсивного поглощения железом углерода, из которого состоят алмазы. В данном случае определяющим является износ хими­ ческого происхождения. При высоких температурах происходит интенсивное окисление поверхностей инструментального мате­ риала, что также приводит к химическому износу.

Сверление затупившимися сверлами с применением повы­ шенных осевых усилий приводит к резкому повышению темпе­ ратуры в зоне резания, что может при кратковременном выводе сверла для очистки от стружки привести к его самозакалива­ нию в зоне резания. Кроме того, в результате адгезии частицы материала инструмента могут переходить в материал заготовки, что приводит к резкому повышению его локальной микротвер­ дости и затруднениям при дальнейшем сверлении даже острым сверлом.

Для используемых на практике диапазонов режимов резания справедливо соотношение между стойкостью инструмента Т и ско­ ростью резания V:

T=Q,/vVm,

(5.8)

где Су — коэффициент, зависящий от характеристик материалов детали и инструмента, подачи, величины снимаемого припуска, наличия и типа СОТО; тп— показатель относительной стойкости.

200	5. Надежность режущего инструмента

Критериями стойкости инструмента могут служить величи­ на износа по задней поверхности, шероховатость обрабатывае­ мой поверхности, усилия или мощность резания. На практике для определения стойкости инструмента проводят ускоренные испытания, используя формулу (5.8) и условие

£т,/Т(**) = 1,

(5.9)

i=i

где k — количество режимов испытаний; т* — время работы ин­ струмента на режиме резания i; T(xt) — стойкость инструмента на режиме резания xt.

Тогда можно определить стойкость инструмента при измене­ нии одного из факторов режимов резания, например скорости или подачи. Ускоренные испытания проводятся с завышенны­ ми режимами резания.

Для определения влияния режимов резания (скорости V, по­ дачи S, глубины *) на стойкость инструмента Т и величину изно­ са U можно использовать методы планирования эксперимента. Задача планирования эксперимента — минимизация числа экс­ периментов и затрат на их проведение при обеспечении досто­ верности получаемых результатов. Исследуемый процесс рас­ сматривается как закрытый объект («черный ящ ик»), на входе которого действуют факторы х ъ х2>...» х п, а на выходе — неко­ торая функция отклика (полуэмпирическая модель процесса) Y =F(x!, х2, ...»хп), определяемая до начала эксперимента. Чаще всего используется модифицированная (т.е. измененная) линей­ ная функция, учитывающая взаимодействие п факторов:

п	хп	(5.10)
Y = A0 + '£Aixi + £ AyXiXj,
1=1	i=j=l

где AQ, Ait Ац — коэффициенты функции отклика.

При полном эксперименте число сочетаний равно m = 2*, где k — число действующих факторов. Например, при k = 3 число сочетаний /п = 23 = 8.

Для создания моделей процессов резания удобно использовать логарифмические выражения режимов резания:

Y = \пТ; Xi=lnV; *2= ln S ; *3 = ln f.