ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ИЗНОСА ИНСТРУМЕНТОВ

Износ режущего инструмента есть результат трения стружки о переднюю поверхность инструмента и его задней поверхности об обработанную поверхность. Это весьма сложный процесс, протекающий при высоких температурных и контактных нагрузках. По сравнению с износом деталей в машинах при резании удельные давления выше в 300...400 раз, а температура - в 15...20 раз. Кроме того, при резании износ происходит на очень малых площадках контакта, верхние слои которых могут испытывать пластические деформации.

Различают четыре основных вида износа режущих инструментов:

1) механический;

2) адгезионный;

3) диффузионный;

4) химический (окислительный).

Механический (абразивный) износпроисходит в результате резания - трения твердых включений инструментального и обрабатываемого материалов (упрочненные частицы нароста, карбиды, нитриды, интерметаллиды (химические соединения металлов с металлами, например, CuAl₂, MgZn₂, Al₂CuMn) и др.) о переднюю и заднюю поверхности инструмента. Особенно много указанных включений находится в чугунах, а также в высоколегированных сталях и сплавах. Например, в алюминиевых сплавах этими частицами являются высокотвердые частицы кремния. При черновой обработке отливок это могут быть остатки формовочного песка, заполняющие раковины отливок и действующие как абразивный материал.

В наибольшей степени механический износ проявляется при работе инструментов из быстрорежущих сталей и наблюдается в виде царапин, канавок и других микронеровностей на передней и задней поверхностях инструмента. В меньшей степени механический износ наблюдается на твердосплавных инструментах из-за более высокой твердости и износостойкости твердых сплавов.

Адгезионный износ является результатом действия сил адгезии, т.е. сил межмолекулярного взаимодействия ювенильных (химически чистых, очищенных от окислов) свежеобразованных поверхностей стружки и заготовки при их контакте с поверхностями инструмента в процессе совместного трения.

Рассмотрим контакт двух трущихся поверхностей, сжимаемых силой Р (рис. 6.5). В точках 1...5 их фактического соприкосновения возникают связи - «мостики», которые при скольжении одной поверхности относительно другой разрываются. Вслед за ними возникают новые связи, которые затем также разрываются и т.д. При этом разрушение происходит, прежде всего, по менее прочному обрабатываемому материалу. Однако время от времени разрушается и инструментальный материал. Причем, если это быстрорежущая сталь, то разрушение происходит в результате появления при высокой температуре в тончайших контактных слоях стали усталостных микротрещин. Адгезионному износу быстрорежущих сталей также способствует динамическая рекристаллизация, снижающая их прочность.

Рис. 6.5 Контакт двух поверхностей при адгезионном износе	Рис. 6.6 Поверхность режущего инструмента при адгезионном износе

У твердых сплавов отделение частиц износа обычно происходит по границам зерен карбидов, по менее прочной кобальтовой связке, объем которой с ростом температуры резания за счет выгорания уменьшается. Характерным признаком адгезионного износа является ячеистый (в виде мелких ямок) вид изношенной поверхности инструмента (рис. 6.6).

С повышением температуры резания прочность адгезионных связей ослабляется, размеры отдельных частиц износа уменьшаются и поверхность износа становится более ровной.

Диффузионный износпроисходит в результате взаимного переноса (диффузии) атомов контактирующих инструментального и обрабатываемого материалов. Скорость диффузионных процессов зависит от подвижности атомов, которая, в свою очередь, определяется температурой резания. Диффузия становится заметной при температуре резания свыше 800...900°С, т.е. в области применения твердых сплавов и СТМ.

При резании твердосплавными инструментами материалов на основе железа наиболее быстро диффундирует углерод, имеющий наименьший радиус атомов, и значительно медленнее кобальт, вольфрам и титан. В результате поверхность твердого сплава обезуглероживается. При этом в твердый сплав проникает железо, ухудшающее его структуру. Вследствие таких структурных превращений в тонких поверхностных слоях инструмента происходит охрупчивание и разупрочнение твердого сплава до такой степени, что отдельные участки этих слоев разрушаются и уносятся обрабатываемым материалом и стружкой.

Химический (окислительный) износпроисходит за счет окисления при высоких температурах трущихся слоев благодаря высокой проникающей способности кислорода и ускоренного его соединения с ювенильными поверхностями стружки и инструмента. Образовавшиеся окисные пленки очень хрупки и поэтому легко разрушаются, оголяя нижеследующие слои, которые в свою очередь также окисляются и подвергаются разрушению.

Окислительное изнашивание наступает обычно при температуре резания, равной 700...900°С. У твердых сплавов наиболее быстро окисляется кобальтовая связка, при разрушении которой нарушается монолитность сплава, ослабляется связь между зернами карбидов титана и вольфрама. Окислительный износ можно существенно уменьшить или даже предотвратить за счет применения в качестве смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) инертных газов: азота, аргона и гелия.