Износ и стойкость токарных резцов

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 6Следующая ⇒

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_max_пр – 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_max_пр 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.

Износ и стойкость сверл

Износ сверл происходит в результате трения задних поверхностей о поверхность резания, стружки о переднюю поверхность, направляющих ленточек об обработанную поверхность и смятия поперечной кромки. Сверла изнашиваются (рис. 5.4): одновременно по задней А и передней Г поверхностям при обработке сталей; по уголкам В – при сверлении хрупких материалов; по ленточке Б – при сверлении вязких материалов; по лезвию перемычки Д – при неправильной заточке и при его чрезмерной длине.

Рис. 5.4. Износ сверл

При сверлении жаропрочных сплавов износу в основном подвергается задняя поверхность, а также ленточка. В этом случае характерным признаком износа является округление лезвий по уголкам и возникновение кольцевых рисок на ленточках вследствие налипания на них обрабатываемого материала.

Наиболее опасный износ – по уголкам и ленточке, так как при большом износе для восстановления сверла требуется стачивать значительную его часть. Большой износ на перемычке приводит к интенсивному росту силы Р₀, а износ по ленточке вызывает значительное увеличение крутящего момента М_кр. При износе по уголкам одновременно растут М_кр и Р₀. Наибольшее влияние на величину фаски износа по задней грани h₃ оказывает скорость резания v и значительно меньшее подача S₀. Поэтому выгоднее работать с большей подачей и меньшей скоростью резания.

Допустимые значения износа зависят от свойств обрабатываемых материалов, материала сверла и его диаметра: при обработке конструкционных сталей быстрорежущими сверлами h_з = 1...1, 5 мм, жаропрочных и титановых сплавов h_з = 0, 4...0, 8 мм. Для твердосплавных сверл h_з = 0, 4...0, 8 мм. Большие значения износа относятся к большим диаметрам сверл.

За критерий затупления быстрорежущего сверла приобработке чугуна принимают величину износа по уголку h_у. При обработке сталей за критерий затупления принимают износ по задней поверхности h_з. Оптимальный износ и стачивание сверл в осевом направлении за одну переточку приведены в табл. 5.1.

При достижении установленной величины износа инструменты затачивают для восстановления их режущих свойств. Заточка сверл, зенкеров и режущей части разверток производится по главным задним поверхностям на специальных заточных станках или приспособлениях.

Таблица 5.1 – Оптимальный износ и стачивание свёрл

Диаметр сверла, мм	Обрабатываемый материал
Легкие сплав	Серый чугун, бронза	Сталь, ковкий чугун
Износ h_з, мм	Стачивание q, мм	Износ h_з, мм	Стачивание q, мм	Износ h_з, мм	Стачивание q, мм
До 6 мм	0, 4	0, 7	0, 5	0, 8	0, 6	1, 0
Св. 6 до 10	0, 5	0, 8	0, 6	0, 9	0, 8	1, 1
Св. 10 до 15	0, 6	0, 9	0, 7	1, 0	0, 9	1, 3
Св.15 до 20	0, 7	1, 0	0, 8	1, 2	1, 0	1, 5
Св. 20 до 25	0, 8	1, 2	0, 9	1, 4	1, 2	1, 7
Св. 25	0, 9	1, 4	1, 0	1, 6	1, 4	2, 0

Величина допустимого стачивания M для коротких сверл из быстрорежущей стали принимается М = (0, 5 – 0, 7)× l, а для длинных – М = 0, 7l, где l – длина рабочей части сверла. Для сверл, оснащенных твердым сплавом:

(5.3),

где b – длина пластинки, мм;

D – диаметр сверла, мм.

Число возможных повторных заточек сверла:

(5.4),

где q – величина стачивания при одной заточке.

Число периодов стойкости нового сверла:

N = n+1 (5.5),

где 1 – период стойкости нового сверла.

Износ и стойкость фрез

В результате периодических динамических и тепловых нагрузок происходит износ зубьев фрез. Характер износа фрез несколько отличен от износа резцов в силу того, что толщина срезаемого слоя при фрезеровании небольшая. В связи с этим износ происходит в основном по задним поверхностям h_з (рис. 5.5) и является лимитирующим.

Рис. 5.5. Износ зубьев фрез

Фрезы разного назначения имеют свои места наибольшего износа: угловые фрезы – по уголкам наибольшего диаметра, фасонные фрезы – в местах с наименьшими углами a, цилиндрические фрезы – в середине контакта, торцовые сборные фрезы – по вершинам ножей и т. д.

На рис. 5.5 стрелками показаны участки, где происходит наиболее интенсивный износ зубьев фрез. При черновом фрезеровании со сравнительно большими подачами на зуб (S_Z > 0, 1 мм/зуб) наблюдается также и износ по передней поверхности с образованием лунки износа.

Для всех типов фрез критерием износа служит величина фаски износа h_з, находящаяся в пределах 0, 3...1, 2 мм, в зависимости от условий резания и свойств материалов.

По физической природе износ фрез чаще всего бывает адгезионным и усталостным. При отсутствии корки оксидов на поверхности заготовки попутное фрезерование сопровождается менее интенсивным износом, чем встречное, и поэтому стойкость фрез в 2...4 раза выше.

Кроме постепенного изнашивания зубья фрезы могут выходить из строя из-за их хрупкого и пластического разрушения. Хрупкое разрушение происходит под действием наибольших растягивающих напряжений и является следствием зарождения и развития трещин. При этом различают выкрашивания и сколы. Выкрашивание проявляется в отделении мелких частиц вблизи режущей кромки и обычно связано с поверхностными дефектами инструментального материала, неоднородностью микроструктуры и остаточными напряжениями. Оно мало зависит от угла заострения b и может происходить даже при малых подачах на зуб S_Z. Режущая способность фрезы с выкрошенными зубьями восстанавливается после ее заточки. Скалывание – отделение крупных объемов зуба, превышающих объем клина в пределах контакта передней поверхности со стружкой, происходит при резании с чрезмерно большими значениями S_Z и недостаточными углами b, а также малыми пределами выносливости и вязкости материала зубьев.

При возникновении сколов режущая способность фрез не восстанавливается. Наиболее часто хрупкое разрушение бывает у твердосплавных фрез и фрез с зубьями из СТМ. Пластическое разрушение наблюдается при работе быстрорежущими фрезами и характеризуется течением тонких слоев инструментального материала вдоль задней поверхности и опусканием вершины зуба. Оно возникает при чрезмерно высоких скоростях резания и очень высоких температурах.

Допустимая величина износа h₃ зависит от свойств материалов заготовки и фрезы, требований к точности обработки и качеству поверхности слоя и находится в пределах h₃ = 0, 3...1, 2 мм. При фрезеровании жаропрочных и титановых сплавов h₃ = 0, 5 мм.

Стойкость фрез Т изменяется в широких пределах и зависит от свойств обрабатываемого материала, скорости резания, типа и диаметра фрезы, вида обработки (черновая, чистовая). Например, период стойкости торцовых твердосплавных фрез T = 90...240 мин.

Для восстановления режущих свойств фрез применяют заточку их на универсально-заточных станках. Для фрез с многогранными и круглыми неперетачиваемыми пластинами восстановление режущих свойств производится заменой изношенных или сколотых пластин. На рис. 5.6 показаны схемы заточки фрез с затылованными (а) и остроконечными зубьями (б).

Рис. 5.6. Схемы заточки фрез с затылованными (а) и остроконечными зубьями (б)

На эксплутационные показатели фрез большое влияние оказывают условия окончательного формообразования поверхностей их режущих зубьев, которое выполняется затачиванием. Для восстановления режущих свойств применяют шлифовальные круги. Обработке подвергаются передние и задние поверхности зубьев, расположенные как на цилиндре, так и на торце фрезы. Для большинства фрез лимитирующим является изнашивание фрезы по задней поверхности. Это объясняется тем, что фрезы работают в зоне тонких стружек, имеющих толщину не более 0, 3 мм (чаще не более 0, 1 мм). Допустимый износ m устанавливается в пределах, приведенных в табл. 5.2.

Таблица 5.2 – Допустимый износ фрез

Фреза	Материал режущей части фрезы	Износ m при обработке стали, мм	Износ m при обработке чугуна, мм
Цилиндрическая	Быстрорежущие стали Р6МЗ, Р12, Р6М5	0, 4 – 0, 6	0, 5 – 0, 8
Торцовая	1, 5 – 2, 0	1, 5 – 2, 0
Трехсторонняя	0, 4 – 0, 6	0, 4 – 0, 6
Концевая	0, 3 – 0, 5	0, 3 – 0, 5
Цилиндрическая	Твердые сплавы Т5К10, Т15К6, ВК8	0, 5 – 0, 6	0, 6 – 0, 7

Торцовая	1, 0 – 1, 2	1, 5 – 2, 0
Трехсторонняя	1, 0 – 1, 2	1, 0 – 1, 2
Концевая	0, 4 – 0, 5	0, 3 – 0, 5

Число возможных повторных заточек фрез:

, (5.6)

Число периодов стойкости новой фрезы:

, (5.7),

где М – величина допустимого стачивания зуба,

q – величина стачивания зуба при одной заточке,

1 – период стойкости новой фрезы.

Величина допустимого стачивания зуба М зависит от конструкции фрезы и ее определяют для цельных, сборных и твердосплавных фрез по-разному. Для цельных фрез величина М зависит от высоты зуба Н:

. (5.8)

У цилиндрических сборных фрез ножи за счет их перестановки на шаг рифлений имеют возможность изменять вылет Н в радиальном направлении. У этих фрез величина допускаемого стачивания по цилиндру:

, (5.9),

где L – глубина паза под нож.

Торцовые сборные фрезы снабжаются, как правило, ножами, оснащенными твердосплавными пластинками. Величина допускаемого стачивания у этих инструментов (также как и у других твердосплавных фрез) зависит от размеров твердосплавных пластинок ножей. Для этих фрез величину допустимого стачивания принимают равной:

(по цилиндру) (5.10),

(по торцу) (5.11),

где b и I – соответственно ширина и длина твердосплавной пластинки на ноже.

Величина стачивания при заточке для рассматриваемых конструкций фрез:

(5.12)

где m – износ фрезы по задней поверхности (мм);

a – задний угол (главный или вспомогательный);

0, 1...0, 2 – дополнительно снимаемый слой (мм).

При выполнении лабораторной работы за расчетное значение m следует принимать величину критерия затупления по табл. 5.2.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с конструкцией выданного инструмента (резец, сверло, фреза).

2. Определить число возможных повторных заточек рассматриваемых инструментов при обработке заготовок из различных видов материалов.

3. Определить число периодов стойкости нового инструмента.

4. Определить величину износа режущего инструмента с помощью микроскопа БМИ-1.

5. Заполнить таблицу 5.3.

Содержание отчёта

1. Наименование и цель работы.

2. Инструменты и принадлежности к работе.

3. Эскизы инструментов с указанием параметров, определяющих число возможных повторных заточек.

4. Схема измерения величины износа инструмента (на микроскопе БМИ-1)

5. Таблица с результатами измерений и вычислений.

6. Вывод.

Таблица 5.3 – Результаты измерений и вычислений.

Тип инструмента	Материал режущей части инструмента	Материал обрабаты-ваемой заготовки	Величина стачивания q при одной заточке, мм	Величина допустимого стачивания М, мм	Число возможных повторных заточек инструмента, n	Число периодов стойкости нового инструмента, N

Контрольные вопросы к лабораторной работе

1. Как зависит величина износа инструмента от продолжительности обработки?

2. Назовите виды износа режущего лезвия резца, изготовленного из быстрорежущей стали?

3. Что такое период стойкости инструмента? В чем он может выражаться?

4. Какими критериями затупления пользуются для определения оптимального износа?

5. От чего зависит величина периода стойкости инструмента Т?

6. Назовите виды износа сверл?

7. Назовите виды износа фрез?

Литература

1. Н.И. Жигалко, С.О. Яцура. Обработка, материалов, станки и инструменты: Мн.: «Вышэйшая школа», 1984., С. 39 - 44, 98 - 108.

2. Резание конструкционных материалов, режущие инструменты и станки. Под ред. проф. П.Г. Петрухи. М., «Машиностроение»., 1974., с. 64-69.

Лабораторная работа № 6

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 Следующая ⇒