РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ИНСТРУМЕНТА С ПОКРЫТИЕМ

Влияние покрытий на параметры резания.Выше отмечено, что возможность широкого изменения поверхностных свойств износостойких покрытий позволяет рассматривать их как некую уникальную промежуточную среду, способную не только положительно влиять на свойства инструментального материала, но и управлять процессом резания за счет трансформации его основных параметров. Покрытие, кроме того, оказывает непосредственное влияние на изменение физико-химических процессов, протекающих в зоне резания.

При одинаковой стойкости инструмента без покрытия и с покрытием производительность последнего выше, так как скорость резания в этом случае может быть на 30—60 % больше, они могут работать с одинаковой подачей, однако для повышения надежности инструмента с покрытием подачу следует уменьшить на 10-20 %.

Твердосплавный инструмент с покрытием наиболее целесообразно использовать на повышенных (на 30—70 %) скоростях резания и несколько сниженных (на 10—20 %) подачах.

Анализ результатов исследований жесткости и виброустойчивости станка, а также жесткости, точности базирования режущей пластины и виброустойчивости державок инструмента на эффективность покрытий позволил установить, что уменьшение уровня вибраций системы резания приводит к снижению вероятности микроразрушения высокотвердого, но относительно хрупкого однослойного покрытия. Поэтому для повышения эффективности твердосплавного инструмента необходимо использовать многослойные покрытия. Целесообразно также использовать инструмент с покрытием на станках повышенной жесткости.

Таким образом, анализ результатов промышленного применения различных типов инструмента с покрытием свидетельствует о необходимости разработки специальных рекомендаций по их рациональной эксплуатации.

1. Инструмент с покрытием дороже инструмента без покрытия и требует более высокой культуры эксплуатации, исключающей вероятность внезапного отказа. В связи с этим эксплуатацию инструмента с покрытием целесообразно производить при использовании станочного оборудования повышенной жесткости и виброустойчивости, применении конструкций сборного инструмента с повышенной жесткостью и точностью базирования режущих элементов.

2. Скорость резания инструментом с покрытием должна быть на 30—70 % больше скорости резания инструментом без покрытия, так как в этом случае интенсивность его изнашивания и затраты на обработку будут минимальными.

3. Предельные величины изнашивания инструмента из быстрорежущей стали и твердого сплава с покрытием по задней поверхности должны быть уменьшены соответственно на 30—40 % по сравнению с соответствующими значениями износа для инструмента без покрытия.

4. Для повышения надежности инструмента из быстрорежущей стали и твердого сплава с покрытием целесообразно снижение величины подачи на 10—20 %.

СТОЙКОСТЬ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ И ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬ МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ

Продолжительность резания новым или переточенным инструментом до его отказа, т.е. до достижения предельно допустимого износа, называется периодом стойкости или стойкостью инструмента.

Кроме времени, стойкость можно оценивать площадью обработанной поверхности, числом обработанных заготовок, отверстий и др.

От стойкости инструмента зависит производительность процесса резания. Поэтому в теории и практике обработки материалов резанием вопросу повышения стойкости режущих инструментов уделяется большое внимание.

2.8.1. СВЯЗЬ СТОЙКОСТИ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ
С РЕЖИМАМИ РЕЗАНИЯ

Стойкость режущих инструментов обычно определяют по кривым износа h =f(τ). Однако для этого необходимо знать предельно допустимую величину износа, т.е. критерий затупления.На практике чаще всего в качестве этого критерия принимают допустимую для данного инструмента ширину фаски износа по задней поверхности h_з.п (см. рис. 6.7, а). Верхним пределом этой величины является такое ее значение, после которого начинается период катастрофического износа (на типичной кривой это точка перегиба B, (см. рис. 6.10).

Рис. 8.1. Критерии равного и оптимального износов

При построении кривых износа для разных скоростей резания v₃ > v₂ > v₁ видно, что с ростом скорости резания v кривые становятся круче и происходит смещение точки В в сторону больших допустимых значений h_з.п (рис. 8.1), т.е. в этом случае за оптимальный износ, строго говоря, следовало бы принимать для каждой скорости свое значение h_з.п. Однако на практике с целью упрощения износ по задней поверхности принимают одинаковым (равновеликим) для всего семейства кривых износа и называют его критерием равного износа.В ряде случаев, например на автоматических линиях или на станках с числовым программным управлением (ЧПУ), целесообразно применять более производительный и более экономичный критерий оптимального износа, о котором будет сказано далее.

Численные значения критериев затупления определяют экспериментально. Они зависят от многих условий резания и, главным образом, от сочетания свойств режущего и обрабатываемого материалов.

Момент затупления режущего инструмента иногда определяют по следующим технологическим критериям:

а) по увеличению шероховатости обработанной поверхности, вызванному износом инструмента;

б) по потере размера детали при чистовой обработке;

в) по появлению «свиста»;

г) по появлению вибраций;

д) по поломке мелкоразмерного инструмента и т.п.

Обычно величина износа инструмента при использовании этих критериев ниже принятого при определении стойкости, обеспечивающей максимальное время работы инструмента.

Выше показано, что наибольшее влияние на износ инструментов оказывает температурно-скоростной фактор. Поэтому уже в первых работах по совершенствованию режущих инструментов F.W. Taylor предложил оценивать их работоспособность путем нахождения зависимости «стойкость-скорость» (T—v).

Эта методика не потеряла своей актуальности и на сегодняшний день. Суть ее заключается в следующем: строят зависимости износа от времени (см. рис. 8.1) и, задаваясь критерием равной стойкости для разных скоростей резания, находят значения соответствующих величин стойкости при всех прочих равных условиях резания. Графически в прямоугольных координатах связь стойкости со скоростью выглядят в виде кривых 1 или 2 (рис. 8.2, а). Монотонно убывающая кривая 1 близка к параболе и характерна для быстрорежущих инструментов и однокарбидных твердосплавных резцов, обрабатывающих чугун. Кривая 2 имеет более сложную форму с двумя перегибами в точках б и в. Эта кривая встречается при резании твердосплавными инструментами легированных сталей и сплавов, в том числе труднообрабатываемых сталей, при изменении скоростей резания в широком диапазоне.

Далее для удобства использования в технологических расчетах указанные кривые строят в логарифмических координатах (см. рис. 8.2, б), и тогда зависимость T-v аппроксимируют в виде степенных эмпирических формул типа

, (8.1)

где C₁ - постоянная, зависящая от условий резания; v - скорость резания; т₁ - показатель степени, учитывающий влияние скорости резания на стойкость, т₁ = tgψ.

Рис. 8.2. Зависимость стойкости инструмента Т от скорости резания v:

а - в прямоугольных координатах; б - в логарифмических координатах

В (6.1) постоянную C₁находят из рис. 8.1, как , где T_i - стойкость, соответствующая скорости v_i при критерии равного износа.

Пользуясь уравнением (8.1), можно при критерии равного износа сделать перерасчет стойкости T_i для разных скоростей резания v_i:

,

тогда .

При расчете скорости резания уравнение (8.1) преобразуют в формулу

(8.2)

где С - постоянная величина; m - показатель относительной стойкости.

В (8.2) показатель относительной стойкости m < 1 и в зависимости от вида обработки, инструментального и обрабатываемого материалов изменяется в широких пределах: m = 0,1.. .0,75.

В табл. 8.1 приведены ориентировочные значения показателя относительной стойкости m для некоторых наиболее часто встречаемых условий резания.

Таблица 8.1. Показатели относительной стойкости т для некоторых конструкций режущих инструментов и инструментальных материалов

Из табл.8.1 следует, что при использовании быстрорежущих инструментов показатель относительной стойкости m для всех инструментов, кроме разверток, работающих в диапазоне низких скоростей резания, не превышает 0,2. В то же время у твердосплавных инструментов показатель m в 1,5...2,0 раза выше, чем у быстрорежущих инструментов. Это объясняется повышенными износо- и теплостойкостью твердосплавных инструментов.

При обработке чугунов, обладающих повышенными абразивными свойствами, показатели относительной стойкости однокарбидных твердых сплавов существенно (в 2...3 раза) выше, чем инструментов из быстрорежущих сталей. Для расчета скорости резания при немонотонном изменении стойкости от скорости (кривая 2, рис. 8.2, б) обычно используют «ниспадающую» часть в-г этой кривой.

Падение стойкости на участке а-б объясняется влиянием адгезионного износа, который при изменении скорости резания в пределах v_a...v_б возрастает. Увеличение стойкости на участке б-в связывают с уменьшением силы адгезионного (межмолекулярного) взаимодействия, вызванное ростом температуры резания. При дальнейшем увеличении скорости, когда температура резания составляет более 800.. .900 °С, в пределах v_б….v_г превалирует диффузионный износ. Очевидно, что применение твердосплавных инструментов на скоростях менее v_б нецелесообразно.

Влияние подачи и глубины резания на стойкость инструментов определяют по той же методике, что и влияние скорости резания. На основании трех частных зависимостей , , - находят общую зависимость

. (8.3)

При этом из-за влияния режима резания на температуру показатели степени в формуле (8.3) располагаются в порядке убывания, т.е. т₁ > р > q.

Наименьшее влияние на стойкость инструментов оказывает глубина резания t, а наибольшее влияние - скорость резания. Увеличение подачи s, а следовательно, и толщины срезаемого слоя а, снижает стойкость инструмента Т существенно больше, чем увеличение глубины резания t или соответственно ширины среза b. Поэтому для того, чтобы стойкость инструмента была выше, при постоянной площади сечения срезаемого слоя следует увеличивать ширину среза за счет уменьшения толщины, т.е. работать с бóльшим отношением b/а (t/s). Это правило носит универсальный характер и справедливо для всех видов режущих инструментов и способов обработки различных материалов.

Расчет скорости резания выполняют исходя из уравнения (8.3):

, (8.4)

где т =1/m₁, x_v=q/m₁, y_v =p/m₁, при x_v < y_v < 1.

Из (8.4) следует, что при заданной стойкости инструмента для достижения более высокой скорости резания, а следовательно, и производительности, необходимо работать с возможно большим отношением t/s. Этого можно достичь путем максимального увеличения глубины резания t или уменьшения главного угла в плане φ.

При разработке нормативов по режимам резания было установлено, что показатели степени x_v и y_v не являются постоянными, а зависят от типа инструмента, свойств режущих и инструментальных материалов, а также от подачи и глубины резания.

Для иллюстрации в табл.8.2 приведены некоторые примеры обработки точением ряда материалов при стойкости Т= 60 мин.

Таблица 8.2. Некоторые значения коэффициента C_v и показателей степеней в уравнении (6.4)

Наибольшее влияние на скорость резания оказывают свойства обрабатываемого материала. Например, при резании закаленной стали или высокопрочного чугуна скорость резания в 200 раз меньше, чем при обработке алюминия. Далее по убывающей следует влияние инструментального материала, при изменении которого скорость резания может изменяться до 75 раз, а при изменении геометрии инструмента, глубины и ширины среза - до 3...5 раз.