Физические закономерности процесса изнашивания твердосплавных и алмазных инструментов

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана
С.В. Грубый
ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ
ПРОЦЕССА ИЗНАШИВАНИЯ
ТВЕРДОСПЛАВНЫХ И АЛМАЗНЫХ
ИНСТРУМЕНТОВ
Допущено Учебно-методическим объединением вузов
по университетскому политехническому образованию
в качестве учебного пособия для студентов
высших учебных заведений,
обучающихся по направлению подготовки
«Технологические машины и оборудование»
Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2013

УДК 621.9.014:1.01(075.8)
ББК 34.638.2
Г90
Рецензенты: Г.Т. Ершова, С.Ю. Шачнев
Г90
Грубый С. В.
Физические закономерности процесса изнашивания твердосплавных и алмазных инструментов : учеб. пособие / С. В. Грубый. — М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2013. — 123, [5] с. :
ил.
ISBN 978-5-7038-3671-2
Приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований процесса резания и изнашивания твердосплавных и алмазных резцов. Раскрыты признаки и количественные соотношения износа. Разработана расчетная модель скорости изнашивания резцов
из твердого сплава и нитрида бора при обработке заготовок из конструкционных сталей. Приведены свойства кристаллов природных
алмазов и особенности изнашивания резцов при обработке металлооптических поверхностей.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Технологические машины и оборудование».
УДК 621.9.014:1.01(075.8)
ББК 34.638.2
ISBN 978-5-7038-3671-2
c
⃝МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013

ВВЕДЕНИЕ
Современное механосборочное производство изделий автомобильной, авиационной, ракетно-космической техники, приборостроения основано на широком использовании механической обработки резанием заготовок из различных конструкционных материалов. Механические и физические свойства этих материалов
изменяются в широких пределах, что приводит к различной их
обрабатываемости на операциях механической обработки. Для повышения производительности, качества и снижения себестоимости обработки используют современное металлорежущее оборудование, режущие инструменты прогрессивных конструкций, оснащенных новейшими инструментальными материалами. Вместе с
тем все режущие инструменты изменяют свои свойства во времени вследствие физических и кинематических процессов изнашивания, подчиненных общим закономерностям. Современное состояние науки о резании металлов позволяет изучить и количественно
представить эти закономерности.
В результате изучения процесса изнашивания режущих инструментов можно сформулировать ограничения и определить предельные состояния, в совокупности определяющие рациональную
область применения этих инструментов. Обобщенные зависимости
и показатели, характеризующие процесс резания и изнашивания,
позволяют на основе количественного расчета или оптимизации
выбрать режимные параметры, в полной мере отвечающие принятым критериям и ограничениям.
Теория резания является дисциплиной, занимающей связующее положение между фундаментальными и прикладными дисциплинами, и ее предметное содержание изложено в учебниках [1, 2].
Настоящее учебное пособие направлено на углубленное рассмо3

трение вопросов, связанных с процессом резания и изнашивания
инструментов.
В первом разделе учебного пособия описаны признаки и количественные соотношения износа сборных резцов, оснащенных
твердосплавными сменными многогранными пластинами (СМП),
при наружном продольном точении заготовок из конструкционных сталей. Приведены также конструктивные особенности резцов, оснащенных монокристаллами природных алмазов.
Во втором разделе разработана модель процесса изнашивания
резцов из твердого сплава и нитрида бора. Характерной особенностью модели является возможность расчета скорости изнашивания
задних поверхностей инструмента, основанная на установленной
связи этого параметра со скоростью резания и поверхностной твердостью инструментального материала. В свою очередь, физикомеханические характеристики обрабатываемого и инструментального материалов считаются функциями температуры поверхности
контакта. Полученные зависимости имеют обобщающий характер
и предназначены для расчета износа и стойкости инструментов в
широком диапазоне условий обработки. Приведены примеры расчета стойкости твердосплавных инструментов при обработке заготовок из конструкционной, высоколегированной, коррозионностойкой стали, жаропрочного и титанового сплавов, а также закаленной стали при использовании резцов из нитрида бора.
В третьем разделе рассмотрены характеристики кристаллов
природных алмазов и особенности износа алмазных резцов при
обработке отражающих поверхностей металлооптических элементов. Приведен сравнительный анализ зависимостей резания металлов в макро-, микро- и нанодиапазонах толщин срезаемого слоя.
Учебное пособие дополняет ранее подготовленные автором издания по методам оптимизации режимных параметров обработки
и моделированию процесса резания [3, 4].
В совокупности учебные пособия служат методическим материалом для подготовки студентов к лекциям и семинарским занятиям по дисциплине «Оптимизация механической обработки»,
а также для подготовки магистрантов и аспирантов к проведению
теоретических и экспериментальных исследований в предметной
области резания материалов.

1. ПРИЗНАКИ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗНОСА РЕЗЦОВ
1.1. Особенности изнашивания твердосплавных резцов
Традиционным методом оценки изношенного состояния режущего инструмента является визуальное определение параметров износа лезвия: глубины, ширины, длины лунки на передней поверхности; размера площадки износа по главной, переходной, вспомогательной задним поверхностям. В методическом
плане измерения этих параметров детально проработаны, например в учебниках по резанию [1, 2], и многократно использованы
для оценки степени износа лезвийных инструментов из различных
инструментальных материалов. Например, изучено изменение параметров износа твердосплавных сборных резцов при обработке
конструкционных сталей во времени, показано увеличение силы резания, шероховатости обработанной поверхности, расхода
режущих пластин с увеличением площадки износа по задней
поверхности инструмента.
Помимо линейных величин для определения количественного
износа лезвия применяют также объемную (массовую) меру. Для
этого используют экспериментальные методы непосредственного
взвешивания инструмента до и после резания или метод радиоактивных изотопов, когда потерю массы радиоактивного инструмента оценивают по количеству продуктов износа на стружке, поверхности изделия, а также выпавших в виде пыли. Кроме того,
используют расчетные методы [2].
Наибольшее значение для практического применения имеют
кривые износа, отражающие зависимость износа задней поверхности от продолжительности резания. Для семейства кривых износа
5

чаще всего устанавливают равновеликий максимально допустимый износ, который является критерием равного износа и определяет стойкость инструмента для различных условий резания. В
этом случае связь режимных параметров со стойкостью инструмента и другими факторами принято устанавливать обобщенными
степенными зависимостями вида
v =
Cv
T mtxsy(HB/200)z ,
(1.
.1)
где v — скорость резания; Сv — постоянная; T, t, s, HB — стойкость, глубина, подача, твердость обрабатываемой стали соответственно. Степенные зависимости введены в практику обработки
резанием американским исследователем Ф. Тейлором и широко
использовались для расчета режимных параметров на протяжении
XX столетия.
Помимо степенных уравнений Г.И.Грановский предложил использовать для аппроксимации стойкости показательно-степенные
уравнения вида y = axbecx, где a, b, c — постоянные; e — основание натурального логарифма. Обобщенные формулы стойкости и
скорости резания составляют путем объединения частных зависимостей с учетом влияния дополнительных факторов поправочными коэффициентами. Например, по экспериментальным данным
получено обобщенное уравнение скорости резания при обработке
сталей сборными резцами из безвольфрамовых твердых сплавов:
T =
CT sb2
v1/mtb1e(C1t+C2s)(1, 5 −hz)z1 K1K2,
(1.
.2)
где значения постоянных и показателей степеней рассчитаны для
типовых марок сталей, коэффициенты K1, K2 учитывают влияние
формы режущей пластины и смазочно-охлаждающей жидкости.
В уравнении также учтено влияние значения износа в пределах
hz = 0,25 . . . 0,60 мм.
Предпринята попытка количественной оценки процесса изнашивания инструмента во времени. Так, протекание процесса массового или линейного износа по пути резания было представлено
формулой вида
G = C1Lα1 + C2Lα2,
(1.
.3)
где показатель степени α1 ⩽1, а показатель степени α2 ⩾1. Первое слагаемое характеризует замедляющийся процесс начального
6

износа, а второе — ускоренную потерю режущих свойств инструмента.
Также предложена методика аппроксимации и получено обобщенное уравнение износа твердосплавного резца при обработке
серого чугуна:
hz = 0,00065v1,36t0,24s0,46τ0,4+
+ 8,5 · 10−8t−0,58s−1τ0,0018v2,25t0,34s1,62,
(1.
.4)
где hz — значение износа, мм; τ — время резания, мин. Формула
(1.4) позволяет в пределах своей области определения вычислять
износ резца для конкретных условий обработки в зависимости от
времени резания.
Аналогично получена обобщенная формула для расчета износа
твердосплавного резца при обработке сталей:
hz = 3,48v1,8t0,88s2,053k1
e7,627s
+
s2,529
k2k3

τ,
(1.
.5)
+
2,04 · 10−6v2,16t0,49e11,014s
где коэффициенты k1, k2, k3 учитывают влияние марки твердого
сплава и влияние смазочно-охлаждающей жидкости.
Используя выражения (1.4), (1.5), можно численным дифференцированием рассчитать скорость изнашивания инструмента. Однако формулы вида (1.5) не нашли практического применения в связи
с методической сложностью оценки постоянных показателей степеней каждого варианта условий обработки.
Внешний вид, геометрические параметры и сопутствующие
признаки износа характеризуют процесс резания и, следовательно,
режущие свойства инструмента. В свою очередь, характеристики износа позволяют установить рациональные режимы резания,
обеспечивающие высокую производительность и эффективность
обработки.
В условиях непрерывного наружного продольного точения стали режущие пластины из твердых сплавов различных марок изнашиваются по передним и задним поверхностям (рис. 1.1). На
передней поверхности образуется лунка в результате частичного
7

Рис. 1.1. Внешний вид износа по передней (а), главной (б) и вспомогательной (в) задним поверхностям
8

Рис. 1.2. Угол схода стружки по передней поверхности СМП радиусом
при вершине 1,2 мм при глубине резания:
а — 0,7 мм; б — 1,5 мм; в — 2,5 мм; г — 4,5 мм; подача 0,4 мм/об
изнашивания фаски и стружколомающей канавки, а на задних поверхностях (главной, переходной и вспомогательной) — площадка
износа. Отметим, что на поверхности лунок износа видны следы
направления скольжения стружки (рис. 1.2). В свою очередь, форма
передней поверхности пластины, углы в плане и параметры резания, как показывают эксперименты, влияют на угол схода стружки
ηc, параметры резания и характеристики износа резца.
Ширина площадки износа неравномерна на главной, переходной и вспомогательной задних поверхностях. Наибольший износ
наблюдается, как правило, на главной задней поверхности на
9

участке контакта режущей кромки с наружной поверхностью заготовки и на вспомогательной задней поверхности. Отмеченная
неравномерность ширины площадки износа объясняется неодинаковыми условиями резания, возникающими вследствие изменения
геометрических параметров (углов) вдоль режущих кромок, влиянием направления схода стружки и других факторов. В частности,
местное разрушение режущей кромки и проточины в точке контакта с наружной поверхностью заготовки возникают в результате
скольжения края стружки по передней поверхности, протекания
окислительных и других процессов и отсутствия застойной зоны
на этом участке.
Особенностью износа резцов с твердосплавными СМП является изменение состояния режущих кромок и лезвия в процессе
изнашивания. При непрерывном точении стали на режимах, обеспечивающих стойкость более 10 мин, за периоды начального и
нормального изнашивания происходит увеличение радиуса округления режущей кромки, ее опускание и последующее осыпание на
отдельных участках (рис. 1.3). При этом интенсивность изменения
линейных параметров износа и общее состояние режущих кромок определяются условиями контакта обрабатываемого металла
и рабочих поверхностей лезвия, температурой резания, а также
значением и распределением контактных нагрузок.
Рис. 1.3. Округление кромки лезвия резца в зависимости от времени обработки:
1 — 3 мин; 2 — 7 мин; 3 — 20 мин
10