Рабочие
поверхности режущего инструмента изнашиваются как от механического воздействия
на него обрабатываемого материала, так и в результате молекулярно-термических
процессов происходящих в зоне резания на поверхностях контакта инструмента с
обрабатываемым материалом. Инструмент может подвергаться различным по своей
природе,видам изнашивания: абразивному, адгезионному, химическому,
диффузионному, электроэрозионному и другим. В процессе резания все эти виды
изнашивания могут иметь место, но в зависимости от конкретных условий один из
них является доминирующим, определяющим интенсивность изнашивания и стойкость
режущего инструмента.
Абразивное
изнашивание.
Происходит по причине царапания поверхностей инструмента твердыми включениями
обрабатываемого материала. Твердые включения при этом как микрорезцы скоблят
поверхность инструмента.
О.М- обрабатываемый материал;
И.М. — инструментальный материал.
Рис. 8.5 Абразивное изнашивание:
М- инструментальный материал,
С- среда,
М хС—
пленка химического соединения толщиной ,
-
время восстановления пленки до толщины .
Рис. 8.6 Абразивно-химическое изнашивание
Частицы
инструментального материала, вырываемые стружкой или частицы периодически
разрушающегося нароста, обладающего твердостью, близкой к твердости
инструментального материала, проволакиваясь по контактным поверхностям, уносят
некоторый объем инструментального материала и оставляют следы в виде царапин.
При резании твердым сплавом абразивный износ происходит путем выскабливания
мягкой кобальтовой связки и механического вырывания твердых зерен карбидов.
При
резании в химически активных средах возможен абразивно-химический износ в
результате интенсивного образования, соскабливания и уноса образующихся мягких
пленок соединений элементов среды с материалом инструмента.
Адгезионное
изнашивание.
Совершается путем отрыва силами адгезии мельчайших частиц инструментального
материала. Поскольку при резании на поверхностях контакта действуют
колоссальные давления и в контакт приходят вновь образованные ювенильные
поверхности, свободные от каких-либо пленок, создаются благоприятные условия
для интенсивной адгезии контактирующих материалов. При сближении их на
расстояние примерно 100 ангстрем проявляются силы молекулярного взаимодействия
и образуются так называемые «мостики холодного сваривания». Разрушение может
проходить как в объеме инструментального материала, так и по объему менее
прочного обрабатываемого материала. В этом случае образовавшийся на поверхности
инструмента налип вызывает осложнение перемещения стружки, дополнительное ее
деформирование и локальное повышение температуры, которое приводит к ослаблению
сил металлической связи инструментального материала.
А- мостики холодного сваривания,
Б- зависимость твердости обрабатываемого (О.М.)
и инструментального (И.М.) материалов от температуры.
tкр — температура красностойкости
инструментального материала
Рис. 8.7. Адгезионное изнашивание.
Приближенно
закономерность адгезионного изнашивания выражается зависимостью:
,
Где -
твердость инструментального материала; -
Твердость обратываемого материала; L- путь, пройденный инструментом до полного
затупления в течении всего периода стойкости.
Диффузионное
изнашивание.
При резании на высоких скоростях, когда в зоне резания развивается температура
порядка 1000,
обрабатываемый материал сильно размягчается, а соотношение твердостей и
становится
очень большим, износ режущего инструмента, однако, не только не уменьшается, но
еще больше возрастает. Дело здесь в том, что при высокой температуре становится
ощутимым процесс взаимного диффузионного растворения инструментального и
обрабатываемого материалов. Известно, что при комнатной температуре процесс
диффузии идет неощутимо медленно, но при температурах, близких к температурам
плавления, скорость процесса диффузии возрастает в миллионы раз. Поскольку при
резании время контакта обрабатываемого материала с инструментальным исчисляется
сотыми и тысячными долями секунды, градиент концентрации постоянно велик и
диффузионный износ протекает весьма интенсивно.
Рис. 8.8. Диффузионное изнашивание режущих инструментов.
y-толщина диффузионного слоя.
Количество
вещества одного компонента, выраженное в молях, продиффундировавшее в другой
компонент, выражается уравнением:
где: Д-
коэффициент диффузии;
М –
количество вещества;
dC/dx- градиент концентрации;
dB- площадь, через которую
идет диффузия;
d-
время диффузии.
где:
А — предэкспоненциальный множитель, формально равный коэффициенту диффузии
при температуре, равной бесконечности;
Q — энергия разрыхления, необходимая
для ослабления связей между атомами кристаллической решетки до возможности их
миграции;
R — газовая постоянная;
T- абсолютная температура.
Интенсивность
диффузионного изнашивания может быть выражена толщиной диффузионного слоя,
который зависит от времени и коэффициента диффузии. Зависимость эта подчиняется
закону параболы:
где: y-
толщина слоя диффузионной пленки; —
время диффузии.
В
результате диффузии в поверхностных слоях твердого сплава образуется
железо-вольфрамовый карбид ,
пластичная кобальтовая связка превращается в хрупкую фазу, представляющую собой
двойной карбид .
Охрупчивание связки твердого сплава приводит к тому, что в процессе резания
наряду с диффузионным растворением происходит хрупкое разрушение материла
связки и унос целых блоков зерен твердого сплава. В двухкарбидных сплавах
карбиды титана, растворяясь медленнее, образуют выступы и впадины, которые
заполняются материалом стружки. Время диффузии в этих условиях увеличивается, и
в результате резкого уменьшения градиента концентрации, диффузия и износ
уменьшаются.
Электроэрозионное
изнашивание.
Происходит в результате действия электрического тока, образующегося под
влиянием термоэлектродвижущей силы (ТЭДС). В связи с тем, что инструмент и
обрабатываемый материал контактируют в отдельных точках с разной температурой,
в каждой точке действует ТЭДС разной величины. В результате в зоне резания
образуется сложная система электрических цепей (контуров), при разрыве которых
происходит перенос капли одного из материалов на поверхность другого в
зависимости от знака заряда поверхности. При переносе капли обрабатываемого
материала на поверхность инструмента она приваривается к поверхности
инструмента и образует порог, который выламывается вместе с объемом
инструментального материала. Кроме того твердая затвердевшая капля
проволакиваясь между обрабатываемым материалом и инструментом царапает
поверхность последнего и усиливает абразивное изнашивание. Такой механизм
изнашивания, надо полагать, значительно усиливает изнашивание твердосплавных
инструментов, работающих при больших скоростях резания, при которых в зоне
резания развиваются ТЭДС до нескольких десятков милливольт, а температура
находится в пределах 1000.
Твердая частица в этом случае легко выскабливает размягченную и выдавленную на
поверхность кобальтовую связку, недостаток которой ослабляет соединение твердых
карбидных зерен твердого сплава. Выкрашивание их приводит к лавинообразному
развитию изнашивания инструмента.
|