Стійкість різального інструмента

11.2.1 Руйнування робочої частини інструмента

Окрім поступового зношування інструмент може виходити із ладу внаслідок руйнування його робочої частини. Руйнування може бути крихким або пластичним.

Крихке руйнування виникає під дією найбільших напружень розтягування і є наслідком зародження і розвитку тріщин. Необхідно розрізняти викришування і сколи. Викришування проявляється в відокремленні малих часток клину біля головної різальної кромки і частіше всього пов’язане з поверхневими дефектами інструментального матеріалу, неоднорідністю мікроструктури і залишковими напруженнями. Сколи представляють собою відокремлення порівняно більших об’ємів інструментального матеріалу, які перевищують об’єм клина в межах контакту поверхні зі стружкою (рис. 6.9).

Рисунок 11.9 – Руйнування леза інструменту сколюванням

а – вигляд сколів на передній поверхні леза;

б – вигляд сколів на задній поверхні леза

Величини у, у₁ близькі за розміром з шириною контакту стружки з передньою поверхнею, х, х₁ – близькі за розміром з шириною зрізу.

Сколи суттєво залежать від величини переднього кута і кута загострення. Найбільший вплив має товщина зрізу. Швидкість різання при безперервному різанні на сколи не впливає. Сколи для визначеного інструментального матеріалу і форми різальної частини інструменту залежать від межі міцності при одноосному розтягуванні і межі витривалості та ударної в’язкості при переривчастому різанні.

Швидкорізальні сталі менше піддаються крихкому руйнуванню, ніж тверді сплави. Серед твердих сплавів перевагу за цим показником необхідно віддати однокарбідним сплавам.

Силове навантаження на інструмент є не єдиною причиною крихкого руйнування. При переривчастому різанні не менш важливе значення мають термічні напруження, особливо для інструментів, оснащених пластинами із твердих сплавів.

Пластичне руйнування характеризується течією тонких шарів інструментального матеріалу переважно вздовж задньої поверхні. Пластичне руйнування при безперервному різанні наступає при визначеній швидкості різання. Внаслідок пластичного руйнування клин інструменту втрачає правильну форму і головна різальна кромка не може зрізати шар, який залишився під оброблення.

11.2.2 Надійність інструменту

Надійність – це властивість інструменту виконувати оброблення різанням, зберігаючи експлуатаційні показники відповідно до заданих на операцію вимог протягом визначеного терміну. Надійність інструменту, продуктивність оброблення і якість виготовлених деталей є взаємно пов’язаними поняттями; так із збільшенням продуктивності, як правило, зменшується надійність інструменту, а часто і якість виробів.

Надійність будь якого виробу визначається безвідмовністю, ремонтопридатністю і зберігаємістю.

Безвідмовність – властивість інструменту зберігати працездатність протягом заданого терміну без вимушених перерв. Необхідно відрізняти відмову внаслідок порушення працездатності інструмента і несправність внаслідок його невідповідності вимогам технічної документації. Відмови інструмента поділяються на конструктивні, які обумовлені похибками проектування, і технологічні, які обумовлені його невірним виготовленням і експлуатацією. Вихід інструменту із ладу визначається частковою або повною втратою його працездатності. Тому відмови бувають усувні, якщо працездатність можливо усунути переточуванням або ремонтом (зношування, викришування) і неусувні; в останньому випадку інструмент списують (сколи, руйнування пластини, розкріплення пластини, руйнування корпусу).

Тривалість безвідмовної роботи інструменту може бути виражена часом роботи t_і до будь-якої відмови, сумарним часом роботи St_і до повної неусувної відмови. В масовому виробництві більш зручно визначати ці характеристики кількістю деталей Z_д, які оброблені даним інструментом до будь-якої відмови, і SZ_д – до неусувної відмови.

Безвідмовність інструмента визначається ймовірністю його безвідмовної роботи і інтенсивністю відмов.

Ймовірність безвідмовної роботи R(t) характеризує ймовірність того, що в заданому інтервалі часу t не виникає відмов інструменту.

Інтенсивність відмов l(t) визначається ймовірністю відмови в одиницю часу після даного моменту оброблення при умові, що відмова до цього моменту не виникла; таким чином, ця характеристика дозволяє з’ясувати причину відказів.

Ремонтопридатність – властивість інструменту, яка полягає в його пристосованості до попередження, знаходження та усунення відмов і несправностей шляхом проведення технічного обслуговування та ремонтів. Час t_ві на відновлення інструмента складається із часу на його заточування, заміну, регулювання збірного інструменту, заміну і налагоджування. Ремонтопридатність інструменту оцінюється середнім часом відновлення t_ві або середнім сумарним часом відновлення St_ві.

Довговічність – властивість інструменту зберігати працездатність до кінцевого стану з необхідними перервами для технічного обслуговування і ремонтів. Довговічність інструменту Д кількісно оцінюється тими ж характеристиками, що й безвідмовність, якщо розглядати тільки неусувні відмови.

Зберігаємість – властивість інструменту зберігати свої експлуатаційні характеристики під час і після терміну зберігання і транспортування, встановленого в технічній документації.

Показник надійності набуває особливого значення в умовах гнучких автоматизованих виробництв. В цьому випадку виникає необхідність автоматизованої діагностики працездатності інструмента. Для цієї мети використовуються автоматичні діагностичні пристрої, які працюють на принципі щупання та візуальному принципі з подальшим обробленням інформації на ЕОМ (поза зоною оброблення). Під час різання діагностика стану інструменту виконується за зміною сил різання, термоелектрорушійної сили, вимірюванням зносу термопарами, з допомогою акустичних систем.

Стійкість різального інструмента

12.1 Стійкість. Залежність між швидкістю різання і стійкістю

Стійкість – машинний час роботи інструментом від переточування до переточування (або до визначеної величини зносу).

Експериментально встановлено, що між швидкістю різання і стійкістю різального інструменту із інструментальних вуглецевих і швидкорізальних сталей існує залежність – чим вища швидкість різання, тим менша стійкість різця (рис. 12.1). Це повністю пояснюється розглянутим раніше впливом швидкості різання на тепловиділення та знос.

Рисунок 12.1 – Вплив швидкості різання на стійкість різця

По відношенню до інструмента, який оснащений твердим сплавом, залежність між V і T більш складна. Із приведеного графіка (див. рис. 6.10) для умов різання незагартованої сталі витікає, що при збільшенні V стійкість спочатку зменшується, потім збільшується і знову зменшується; при цьому чим більша твердість оброблюваного матеріалу, тим менша величина критичних швидкостей, які відповідають точком перегину.

Горбоподібний характер залежності V – T при обробленні твердосплавними різцями пояснюється наступним. При малих V внаслідок низької температури різання знос протікає повільно. По мірі збільшення V температура на поверхнях дотику різця з заготовкою і стружкою збільшується, що сприяє злипанню в місцях контактування (адгезії), підвищенню інтенсивності зношування і зменшенню стійкості різця. При подальшому збільшенні V (починаючи з V = 30 м/хв) підвищення температури сприяє розм’якшенню поверхонь стружки і заготовки, що зменшує злипання, полегшує відносне ковзання і знижує інтенсивність зносу (підвищує стійкість); цьому сприяє також підвищення ударної в’язкості твердого сплаву при t = 600-800°С і зменшення сил, які діють на різець. При збільшенні швидкості до значення V ≥ 90 м/хв і, відповідно, температури різання різко знижується твердість і міцність твердого сплаву, що призводить до інтенсифікації зносу і зниженню стійкості інструменту.

При однаковій стійкості різців, наприклад T = 50 хв, вигідніше працювати на швидкості 160 м/хв, тому зоною раціонального використання твердого сплаву слід вважати ділянку, яка розташована справа від точки перегину максимальної стійкості. Тому залежність між стійкістю і швидкістю розглядається на другій низхідній гілці, яка математично може бути виражена залежністю

, (12.1)

де Т – стійкість різця, яка відповідає даній швидкості різання V;

m – показник відносної стійкості, який характеризує вплив швидкості на стійкість різця;

С – постійна величина, яка залежить від умов оброблення.

На практиці важливо мати зворотну залежність V = f(Т). Після зведення правої і лівої чистин рівняння (6.1) в ступінь m і необхідних перетворень будемо мати

або V T^m = A = const. (12.2)

Логарифмуючи вираз (6.2), отримаємо

lgV = lgA – mlgT,

Відповідно в логарифмічних координатах залежність V = f(Т) описується рівнянням прямої лінії, тангенс кута нахилу якої і є показником відносної стійкості m.

Показник відносної стійкості залежить від оброблюваного матеріалу, матеріалу різальної частини різця, товщини зрізу, виду і умов оброблення. Для токарних прохідних, підрізних і розточувальних різців із швидкорізальної сталі середня величина m_с = 0,125 при обробці з охолодженням сталі, стального литва і ковкого чавуна; для різців, оснащених твердим сплавом m = 0,125-0,30, а його середня величина m_с = 0,20.

Коли відома стійкість Т₁ при швидкості V₁, можна визначити стійкість Т₂ при швидкості V₂ або швидкість V₂ по стійкості Т₂. Із рівняння

VT^m = A = const

будемо мати

V₁ T₁^m = V₂ T₂^m,

звідси

,

або

.

В зв’язку з немонотонною і екстремальною зміною залежності T – V проф. А.В.Макаровим була запропонована гіпотеза про оптимальний режим різання. Її сутність полягає в тому, що найменшій інтенсивності зносу інструмента (його найбільшій стійкості) при різанні конструкційних матеріалів відповідає своя оптимальна температура різання для заданої пари “інструмент-деталь”. Вона інваріантна по відношенню до режимів різання (V, s, t), геометрії інструменту і інших зовнішніх умов. На цій основі були знайдені параметричні рівняння максимальної розмірної стійкості інструменту (T_доп). Стверджується, що допустимій стійкості відповідає оптимальна швидкість різання V_оп, при якій має місце найменший коефіцієнт тертя по задній поверхні, найменша шорсткість, глибина і ступінь наклепу обробленої поверхні. При V_оп забезпечується найменша собівартість процесу різання.

Значення оптимальної температури можна виконати, використавши максимум відношення твердості інструментального і оброблюваного матеріалів, коли вони розглядаються в функції температури (рис. 12.2)

Рисунок 12.2 – Вплив температури на твердість інструментального

та оброблюваного матеріалів

θ_о = 0,43 k_о θ_т,

де θ_т – температура термостійкості інструментального матеріалу;

при k > 1 і при k < 1;

l – коефіцієнт теплопровідності оброблюваного матеріалу;

cρ – питома об’ємна теплоємність оброблюваного матеріалу;

(λ cρ)_р – те саме, тільки для різця.