ПРОЧНОСТЬ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ

Режущие инструменты сохраняют свои режущие свойства до тех пор, пока в процессе резания их зубья, имеющие форму несимметричного клина, сохраняют геометрические и линейные параметры. Потеря формы режущего клина может произойти либо из-за разрушения (хрупкого или пластического), либо из-за износа клина по передней и задней поверхностям.

Хрупкое разрушение режущего клина происходит в виде мелкого выкрашивания режущих кромок, отслаивания инструментального материала на отдельных участках лезвий или крупных сколов. Такие разрушения характерны для инструментов из инструментальных материалов, обладающих наименьшей пластичностью и прочностью на изгиб, таких, например, как твердые сплавы, минералокерамика и СТМ.

Выкрашивание режущих кромок происходит обычно при работе с ударами и переменной нагрузкой, имеющей место при врезании и выходе инструмента из контакта с заготовкой, а также связано с поверхностными дефектами инструментального материала, остаточными напряжениями и микротрещинами, вызванными пайкой и заточкой инструмента.

Отслаивание инструментального материала характерно для твердых сплавов. Оно возникает из-за дефектов структуры твердого сплава под действием больших сил адгезии со стороны сходящей стружки и особенно при активном наростообразовании.

Сколы режущей части инструмента обычно происходят за пределами площадки контакта стружки с инструментом, когда микротрещины, увеличиваясь под действием внешних нагрузок, сливаются в магистральную макротрещину, приводящую к разрушению режущего клина. Сколы режущей части инструмента наиболее опасны, так как ведут к большим потерям инструментального материала и браку изделия.

На появление сколов влияет картина и знак напряжений в режущем клине, угол его заострения β = 90°-(γ + α) в главной секущей плоскости, толщина срезаемого слоя, а также свойства инструментального и обрабатываемого материалов. Известно, что при плосконапряженном состоянии клина симметричной формы, испытывающего деформацию изгиба, область растягивающих и сжимающих напряжений зависит от направления прилагаемой к нему силы Р. На рис.6.1 показаны три возможных варианта действия силы Р:

1)Р перпендикулярна к линии симметрии клина ОА;

2)Р наклонна к линии ОА;

3)Р совпадает с линией ОА.

В первом варианте через линию ОА проходит нейтральная плоскость, выше которой возникают нормальные растягивающие напряжения +σ, а ниже - сжимающие напряжения - σ. Во втором варианте нейтральная плоскость займет положение ОА', при этом область растягивающих напряжений уменьшится, а область сжимающих напряжений увеличится. В третьем случае сжимающие напряжения на верхней и нижней поверхностях клина становятся одинаковыми.

Для реального несимметричного режущего клина ближе всего подходит второй вариант. Исследования с применением поляризационно-оптического метода показали, что при этом нейтральная поверхность изгиба смещена из вершины резца (точка ОА) к границе площадки контакта на его передней поверхности (рис. 6.2).

Рис. 6.1 Напряжения в симметричном клине при разных направлениях действия силы Р	Рис. 6.2 Кривые распределения эквивалентных напряжений (в МПа) в режущем клине при резании стали ХН60ВТ (ВК8, а = 0,4 мм,γ= 10°,β=70°)

Приконтактная часть режущего клина находится целиком в области сжимающих эквивалентных* напряжений, что препятствует развитию больших трещин, и наблюдаются лишь небольшие выкрашивания режущей кромки.

За пределами площадки контакта справа от точки К действуют растягивающие напряжения. Они создают благоприятные условия для зарождения и развития трещин, что, в конечном счете, приводит к сколу крупных частей клина или к полному разрушению инструмента. При этом точка максимума растягивающих напряжений отстоит от режущей кромки на расстоянии (1,5...2,5)С, где С - длина контакта. Фактическое разрушение может не совпадать с этой точкой, так как на него влияет местоположение дефекта, дающего начало магистральной трещине. Поэтому место разрушения относительно режущей кромки может находиться левее и правее указанной точки и носит случайный, вероятностный характер.

Из параметров режима резания наибольшее влияние на величину растягивающих напряжений оказывает толщина срезаемого слоя a, с увеличением которой растут контактные напряжения. Значение предельно допустимой толщины среза a_пр, при которой может произойти хрупкое разрушение режущего клина, зависит как от свойств обрабатываемого материала, так и от угла заострения режущего клина β (рис. 6.3). На величину этого угла влияет в основном только передний угол γ, так как задний угол αна резцах изменяется в небольших пределах, а именно:

- при черновой обработке α = 6.. .8°;

- при чистовой обработке α = 8... 12°.

Рис. 6.3 Влияние угла (βзаострения режущего клина на предельную толщину срезаемого слояaпрпри точении резцом из сплава ВК8 сталей: 1-11ОГ13Л; 2-ХН60ВТ; 3-12Х18Н10Т; 4-ШХ15(ВК8)

Передний угол изменяется в более широких пределах от γ = 35° и до отрицательных значений. В последнем случае на передней поверхности режущего клина создаются благоприятные напряжения сжатия, но значительно возрастают сила и температура резания.

На хрупкое разрушение режущего клина большое влияние оказывает также число циклов нагружения, имеющих место при прерывистой обработке, и изменение напряжений при врезании и выходе режущего клина. Например, при фрезеровании, для которого характерна прерывистая обработка с ударами, предельная толщина среза в 2...3 раза меньше, чем при точении.

Следует отметить, что кроме этих причин отрицательное влияние на прочность твердосплавных пластин оказывает также их переточка. Отсюда очевидными становятся преимущества СМП.

В процессе резания режущее лезвие иногда подвергается пластическому разрушению, которое выражается в пластической деформации его вершины и опускании режущей кромки. У инструментов из быстрорежущей стали пластическое разрушение проявляется в виде скругления режущей кромки или ее оплавления при достижении предельной величины износа. У твердосплавных инструментов пластическая деформация режущего клина наступает под действием высоких температур резания и вибраций. Хотя твердые сплавы и считаются хрупким материалом, но уже в нормальных условиях работы они подвергаются явлению ползучести, которое усиливается с ростом температуры резания. Под действием больших нормальных давлений в районе режущей кромки происходит ее опускание, сопровождающееся некоторым вспучиванием на передней и задней поверхностях. На рис. 6.4, а показана увеличенная под микроскопом исходная форма режущего клина резца и этот же клин через 80 с (рис. 6.4, б) после начала резания титанового сплава твердосплавным резцом. Такое изменение формы клина приводит к тому, что его передний и задний углы принимают отрицательные значения. Это вызывает рост сил резания, интенсифицирует износ по передней и задней поверхностям, и в результате резание таким клином становится невозможным.

Рис. 6.4 Пластическая деформация режущего клина из твердого сплава марки ВК6М при точении титанового сплава марки ВТ-6 (v = 60 м/мин, s = 0,47 мм/об, t = 2 мм)