Виды износа твердосплавных пластин при лезвийной обработке и методы борьбы с ними

УДК 6219102 Д. С. РЕЧЕНКО

А. А. ЕЖОВ Д. Г. БАЛОВА И. А. ЦАРЕНКО А. Г. КИСЕЛЬ Р. У. КАМЕНОВ

Омский государственный технический университет

ВИДЫ ИЗНОСА ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ПЛАСТИН ПРИ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКЕ И МЕТОДЫ БОРЬБЫ С НИМИ_

В данной статье представлена актуальная проблема износа режущих пластин при лезвийной обработки, а также методы диагностирования и способы устранения их появления. Понимание всех типов разрушения пластин и методов их анализа обеспечит: увеличение срока службы инструмента и предсказуемость его работы, качество обрабатываемой поверхности, а также повышение производительности и повреждений дорогостоящих деталей. Ключевые слова: режущий инструмент, режущие пластины, виды износа, диагностика.

Современная металлообработка развивается по пути повышения скорости резания и качества обработки. Это обусловлено повышением требований к качеству обработки и к возможному снижению затрат на изготовление деталей.

Для достижения таких целей, при лезвийной обработке, режущий инструмент должен соответствовать определенным требованиям: повышенной стойкости и надежности, жесткости и другим показателям. В противном случае нельзя обеспечить стабильности размеров и высокого качества работы по установленной программе из-за износа режущего инструмента.

Износ режущего инструмента представлен в основном износом режущей пластины, так как основную нагрузку принимает именно она.

Процесс разрушения пластины и его отрицательное влияние на производственное оборудование связано с тем, что зона резания, в которой работает инструмент, характеризуется высокой химической чистотой трущихся поверхностей, высокими температурой и давлением в зоне контакта.

Износ, если с ним не бороться, приведет к неточной обработке и низкой производительности [1, 2].

Большое разнообразие методов диагностики износа инструмента позволяет на раннем этапе определить основные причины разрушения. Без этих важных операций невозможно правильно определить причину разрушения пластины. Существующие методы контроля состояния режущих пластин можно разделить на 2 типа: прямые и косвенные [3] (рис. 1).

Существует 5 основных механизмов изнашивания пластин:

— абразивный износ заключается в следующем: стружка внедряется в рабочую поверхность пластины и путем микроцарапаний удаляет металл с этой поверхности. Интенсивность абразивного износа повышается при снижении скорости резания;

— адгезионный износ происходит в результате схватывания или прилипания трущихся поверхностей и последующего отрыва мельчайших частиц материала инструмента. Адгезионный износ уменьшается при повышении твердости пластин;

— диффузионный износ является результатом взаимного растворения металла детали и материала инструмента. Активность процесса растворения повышается при повышении температуры контактного слоя, т. е. при возрастании скорости резания;

— окислительное (химическое) изнашивание также является результатом воздействия высоких температур и давления, но, в отличие от диффузионного процесса, этот процесс нуждается в доступе воздуха. Обычно он происходит там, где режущая кромка только начинает контактировать с внешней частью снимаемого припуска, а в эту зону воздух, как правило, имеет свободный доступ. Окислительное изнашивание обычно приводит к образованию глубокой выемки на той части режущей кромки, которая контактирует с внешней частью снимаемого материала заготовки;

— усталостное изнашивание наблюдается, если режущий материал не выдерживает колебаний температуры совместно с изменениями нагрузки, что приводит к образованию трещин и разрушению режущей кромки. Неправильное применение охлаждения, когда режущая кромка то нагревается, находясь в зоне резания, то охлаждается вне ее, приводит к повышению усталостного изнашивания [3].

Рис. 1. Методы измерения износа режущих пластин

Характер износа режущей пластины, то есть распределение его по рабочим поверхностям, зависит от многих конкретных условий, в которых производится резание. Определяют восемь основных типов износа пластин:

1. Износ по задней поверхности. Естественный износ пластины происходит при обработке любых видов материалов. Естественный износ по задней поверхности является наиболее ожидаемым механизмом износа, так как его легче всего предсказать. Износ по задней поверхности происходит равномерно по всей длине режущей кромки при трении материала заготовки о режущую кромку; этот процесс схож с затуплением лезвия ножа (рис. 2).

Естественный износ по задней поверхности начинается, когда твердые микроскопические включения или наклепанный материал заготовки врезаются в пластину. Причинами такого износа могут быть трение при низких скоростях резания и химические реакции между материалами при высоких

скоростях резания. Естественный износ по задней поверхности определяется по относительно равномерному следу изнашивания, образующемуся вдоль режущей кромки пластины. Иногда металл от заготовки наслаивается на режущую кромку, визуально увеличивая настоящий размер следа изнашивания на пластине.

С другой стороны, быстрый износ по задней поверхности нежелателен, так как он сокращает срок службы инструмента и при его наличии невозможно обеспечить обычно требуемую стойкость — 15 минут.

Быстрый износ по задней поверхности происходит при резании абразивных материалов, таких как ковкий чугун, кремний-алюминиевые сплавы, жаропрочные сплавы, дисперсионно-твердеющие марки нержавеющей стали после термической обработки, сплавы меди с бериллием и сплавы карбида вольфрама, а также неметаллических материалов, например, стекловолокна, эпоксидной смолы, армированной пластмассы и керамики.

Рис. 4. Наросты на режущей кромке Рис. 5. Выкрашивание на режущей пластине

Для предотвращения быстрого износа по задней поверхности крайне важно подобрать пластины из более твердых сплавов с износостойким покрытием и обеспечить правильную подачу СОЖ. Также может помочь и снижение усилий резания, однако оно негативно скажется на времени цикла [4].

2. Лункообразование.

Обычно возникают при высокоскоростной обработке чугуна или титановых сплавов, лунки образуются в результате нагрева или химической реакции, при которых пластина фактически растворяется в стружке от заготовки (рис. 3).

К образованию лунок на пластинах приводит сочетание диффузии и абразивного износа. В случае с обработкой чугуна и титановых сплавов, тепло стружки от заготовки вызывает растворение и диффузию частиц карбида вольфрама в стружке; таким образом, образуется лунка в верхней части пластины. Со временем лунка может стать достаточно большой для того, чтобы вызвать выкрашивание задней поверхности пластины, деформировать ее или привести к быстрому износу по задней поверхности.

3. Наросты на режущей кромке.

Наросты на режущих кромках образуются, когда фрагменты заготовки под давлением привариваются к режущей кромке пластины. Это происходит из-за химического сходства материалов пластины и заготовки, высокого давления обработки и значительной температуры в зоне резания. Нарост на кромке может отломиться в любое время (иногда с частью пластины), что приводит к выкрашиванию и быстрому износу по задней поверхности (рис. 4).

Как правило, механизм разрушения запускается при работе с вязкими материалами, жаропрочными сплавами, нержавеющими сталями и цветными металлами, а также при малых скоростях обработки, нарезании резьбы и сверлении. Наросты на режущих кромках можно определить по нехарактерным изменениям размера частиц или шероховатости, а также по блестящему материалу в верхней части или на задней поверхности кромки пластины.

Образование наростов на режущей кромке можно контролировать путем увеличения скорости резания и подачи, а также использования пластин с покрытием из нитрида титана и правильной

подачи СОЖ (например, увеличения концентрации СОЖ). Помимо этого рекомендуется применять пластины с более ровными поверхностями и/или снижающими усилие геометриями [4].

4. Выкрашивание.

Выкрашивание происходит вследствие механической нестабильности из-за отсутствия жестких настроек, плохих подшипников или изношенных шпинделей, твердых участков в обрабатываемом материале или из-за прерывистого резания. Иногда такое разрушение возникает в процессах, для которых оно нехарактерно, например, при обработке пористых металлокерамических материалов. В этом процессе твердые включения на поверхности материала разрезаются, и прерывистое резание приводит к концентрации напряжения в определенных участках и вызывает выкрашивание (рис. 5).

При данном типе разрушения следы выкрашивания отчетливо заметны по всей длине режущей кромки. Выкрашивание можно предотвратить, если

Рис. 8. Образование бороздки

Рис. 9. Механическое разрушение

обеспечить правильную установку инструмента, свести к минимуму изгиб, контролировать образование наростов на кромках, использовать хонингованные пластины, а также пластины из более прочных сплавов и/или с усиленной геометрией режущей кромки [5, 6].

5. Тепломеханическое повреждение.

Тепломеханическое повреждение пластины происходит при комбинации резких колебаний температуры и механического удара. Под действием напряжения вдоль кромки пластины появляются трещины, из-за чего со временем фрагменты твердого сплава могут выпадать, а пластины становятся более подверженными выкрашиванию (рис. 6).

Тепломеханические повреждения чаще всего наблюдаются при фрезеровании и иногда при токарной обработке с прерывистым резанием, торцевом фрезеровании большинства деталей и выполнении операций с прерывистой подачей СОЖ. Признаками тепломеханического повреждения пластины являются многочисленные трещины, идущие перпендикулярно режущей кромке. Очень важно идентифицировать это повреждение до того, как начнется выкрашивание пластины.

Предотвратить образование трещин можно, если правильно применять СОЖ или по возможности исключить ее из процесса обработки. Следует отдавать предпочтение пластинам из более ударостойких сплавов и пластинам с геометрией, снижающей тепловыделение, а также уменьшать скорость подачи.

6. Деформация кромки.

Деформация режущей кромки образуется из-за чрезмерного нагрева в сочетании с механической нагрузкой. Избыточный нагрев зачастую возникает при высокой скорости и подаче или при обработке твердых сталей, наклепанных металлов и жаропрочных сплавов (рис. 7).

Избыточный нагрев приводит к размягчению кобальта или связующего твердого сплава пластины. Механическая нагрузка возникает, когда из-за давления пластины на заготовку пластина деформируется или изгибается на конце, что может привести к отламыванию кромки пластины, быстрому износу по задней поверхности [7].

О деформации кромки могут свидетельствовать изменение формы режущей кромки и размеры готовой детали, не соответствующие техническим характеристикам. Деформацию режущей кромки можно контролировать, если правильно применять СОЖ, использовать пластины из более износостой-

кого сплава с меньшим содержанием связующего, а также если уменьшить скорость обработки и подачи и использовать пластины со снижающей усилие геометрией.

7. Образование бороздки (зазубривание).

Бороздки образуются, когда поверхность заготовки из абразивного материала обдирает или выкрашивает режущий инструмент на уровне глубины резания. Бороздки могут формироваться при обработке литых, окисленных, наклепанных поверхностей или поверхностей неправильной формы. Поскольку абразивное воздействие — главный виновник образования бороздок, в подверженных этому процессу зонах пластина может выкрашиваться. Полоса на пластине на уровне глубины резания испытывает напряжение, что делает пластину менее стойкой к нагрузкам (рис. 8).

Данное разрушение становится заметным, когда бороздки и следы выкрашивания появляются в зоне глубины резания на пластине. Чтобы предотвратить образование бороздки, важно изменять глубину резания при обработке в несколько проходов, использовать инструмент с большим заходным углом, увеличивать скорость резания при обработке жаропрочных сплавов, снижать скорость подачи, осторожно увеличивать хон в глубине зоны резания и предотвращать образование наростов на кромках, особенно при обработке нержавеющей стали и жаропрочных сплавов.

8. Механическое разрушение.

Механическое разрушение пластины происходит, когда внешнее усилие превышает внутренний запас прочности режущей кромки пластины. Любые из перечисленных выше разрушений могут способствовать механическому разрушению пластины (рис. 9).

Предотвратить механическое разрушение пластины возможно, если устранить указанные ранее разрушения, кроме естественного износа по задней поверхности. Для этого необходимо использовать пластины из более ударостойких сплавов, выбирать пластины с усиленной геометрией, применять пластины большей толщины, снижать скорость подачи и/или глубину резания, изменять жесткость установки и проверять заготовку на наличие твердых включений или труднообрабатываемых участков [8].

Понимание восьми типов разрушения пластин и методов их анализа обеспечит производителям многочисленные преимущества: рост производительности, увеличение срока службы инструмента

и предсказуемость его работы, детали с улучшенной структурой и допусками, меньший износ оборудования; снижение вероятности критического разрушения пластин и, следовательно, уменьшение остановок производства и повреждений дорогостоящих деталей.

8. Пат. 030364 РФ, МПК В22Б 31/00. Устройство для получения металлических порошков / Реченко Д. С., Попов А. Ю., Каменов Р. У., Госина К. К., Титов Ю. В. ; заявитель : Реченко Д. С., Титов Ю. В. ; патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. - № 2014119229/02 ; заявл. 13.05.2014 ; опубл. 10.10.14, Бюл. № 28. - 3 с.

Библиографический список

1. Кабалдин, Ю. Г. Трение и износ инструмента при резании / Ю. Г. Кабалдин // Вестник машиностроения. - 1995. -Вып. № 1. - С. 26-31.

2. Хает, Г. Л. Прочность режущего инструмента / Г. Л. Хает. - М. : Машиностроение, 1975. -186 с.

3. Латыпов, Р. Р. Методы диагностики состояния режущего инструмента в станочных системах : учеб. пособие / Р. Р. Латыпов. - Уфа : УГАТУ, 2009. - 96 с.

4. Григорьев, С. Н. Методы повышения стойкости режущего инструмента : учеб. для студентов вузов / С. Н. Григорьев. - М. : Машиностроение, 2009. - 368 с.

5. Древаль, А. Е. Краткий справочник металлиста / А. Е. Древаль - М. : Машиностроение, 2005. - 960 с.

6. Резание металлов / Г. И. Грановский [и др.]. - М. : Машгиз, 1953. - 364 с.

7. Титов, Ю. В. Получение ультрадисперсного порошка механическим методом с применением жидкого азота / А. Г. Кисель, А. Ю. Попов, Д. С. Реченко, В. Р. Титов, Ю. В. Титов // Нанотехника. - 2014. - № 1 (37). - С. 73-74.

РЕЧЕНКО Денис Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры металлорежущих станков и инструментов.

ЕЖОВ Александр Александрович, студент гр. КТО-124 машиностроительного института. БАЛОВА Дарья Георгиевна, магистрант гр. КТОм-141 факультета элитного образования и магистратуры.

ЦАРЕНКО Игорь Андреевич, магистрант гр. КТОм-152 факультета элитного образования и магистратуры.

КИСЕЛЬ Антон Геннадьевич, ассистент кафедры металлорежущих станков и инструментов. КАМЕНОВ Ренат Уахитович, студент гр. КТО-124 машиностроительного института. Адрес для переписки: rechenko-denis@mail.ru

Статья поступила в редакцию 17.09.2015 г. © Д. С. Реченко, А. А. Ежов, Д. Г. Балова, И. А. Царенко, А. Г. Кисель, Р. У. Каменов

Книжная полка

621.791/Г52

Гладков, Э. А. Автоматизация сварочных процессов : учеб. для вузов по направлению «Машиностроение» / Э. А. Гладков, В. Н. Бродягин, Р. А. Перковский. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. -421 с.

Приведено описание основных элементов автоматики сварочных установок. Даны принципы построения и примеры реализации современных систем управления оборудованием и процессами дуговой, контактной и электронно-лучевой сварки. Рассмотрены системы управления пространственным положением источника нагрева относительно линии стыка, автоматизированные комплексы с микроконтроллерами и ЭВМ для управления качеством сварного соединения, а также проблемы роботизации дуговой и контактной сварки. Для студентов высших учебных заведений. Учебник может быть полезен аспирантам и специалистам в области сварочного производства при выборе средств автоматизации.

621.54/К17

Калекин, В. С. Поршневые пневмодвигатели и агрегаты с самодействующей системой газораспределения : моногр. / В. С. Калекин, В. В. Калекин, Д. В. Калекин. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2015. - 206 с.

Приведены результаты исследования поршневых пневмодвигателей, детандеров и агрегатов на их основе с самодействующими клапанами. Представлены математические модели рабочих процессов пневмо-двигателей, детандеров и агрегатов с учетом динамики механизмов движения и результаты их численного исследования. Приведены зависимости для расчета поршневых машин с самодействующими клапанами, полученные на основе теории подобия. Даны рекомендации по созданию и проектированию конструкций поршневых энергетических машин и агрегатов с принципиально новой системой газораспределения. Монография адресована научным работникам и аспирантам, занимающимся разработкой и исследованием поршневых компрессоров, расширительных машин и пневмодвигателей.