2. Основы резания с учетом особенностей твердосплавного инструмента

В данной книге основы обработки резанием рассмат­риваются лишь в том объеме, который необходим для общего понимания процесса резания и выявления суще­ственного различия между стальным и твердосплавным инструментами. Обстоятельному изучению процессов ре­зания посвящена обширная специальная литература [3—25].

Точение является наиболее распространенным мето­дом обработки. Большинство исследовательских работ по обработке резанием посвящено точению, так как на нем легче всего прослеживаются основы процесса реза­ния; полученные результаты и закономерности могут быть перенесены на другие виды обработки ре­занием— строгание, фрезерование, сверление, раз­вертывание и т. д. Накопленный опыт по­казывает, что основные факторы, влияющие на процесс резания и относящиеся к инструментам из быстрорежу­щей стали, действительны и для твердых сплавов основ­ных групп {WC-Со, WC-TiC-Со, WC-TaC-Со, WC — TiC — TaC — Со). Однако следует учитывать осо­бые свойства твердых сплавов и их различное поведение при резании разных материалов. Насколько сложным яв­ляется изучение проблемы резания, видно из табл. 53. Лауссман [28] пытался показать зависимость скорости реза­ния твердыми сплавами от главнейших факторов про­цесса резания, т. е. от конструкции обрабатываемой

Зависимость скорости резания от главнейших факторов процесса резания

Станок

Обрабатываемая деталь

Инструмент

Размеры

Материал:

Материал:

Тип

Вид

Инструментальная

Производительность

Сталь

Привод

Прочность

Быстрорежущая

Состояние

Сталь

Линейное расшире­

Твердый сплав

Ние

Твердость

Алмаз

Состояние

Состояние поверхно­

Размеры

Сти

Размеры

Углы резания

Простая геометриче­

Вид крепления

Ская форма

Фасонная деталь:

Состояние

Сбалансированная

Несбалансированная

Вид обработки:

Обдирка

Предварительная об­

Точка

Получистовая обра­

Ботка

Чистовая обработка

– –

Вид крепления

Режимы обработки

Деталь ие зажимается

Глубина резания:

Деталь зажата цангой

Постоянная

Патрон, планшайба

Изменяющаяся

В центрах

Подача:

Планшайба с центрами

Продольная

В приспособлении с подпоркой

Поперечная

В приспособлении, движущемся

Прерывистое резание

С обрабатываемой деталью

Охлаждение:

В неподвижно закрепленном при­

С охлаждением

Способлении

Без охлаждения

Сбалансированное

Резание в нагретом состоянии

Сход стружки:

Свободный

Принудительный

Детали, инструмента, станка, режимов резания и вида крепления детали. Имеется много возможных комбина­ций, которые не могут быть подробно рассмотрены в рамках данной книги. При изучении данного вопроса авторы книги в основном придерживались схемы Хирш – фельда [11], наиболее интересной для специалистов в об­ласти твердых сплавов.

Основные понятия

Рабочие движения процесса резания и главные плоскости

На рис. 66 приведена схема процесса точения, из ко­торой можно получить представление о следующих по­нятиях.

В результате главного движения (вращения шпин­деля) токарного станка происходит процесс резания об-

Рис. 66. Схема процесса точе­ния:

1 — поверхность резания (обра­батываемая поверхность); 2—на­правление резания; 3 — рабочая поверхность (обработанная поверх­ность); 4— поперечная подача; 5 — продольная подача; Py — сила

Подачи; P^ — сила отжима резца;

Я — главная сила резания; I, 11,

IIl — главные плоскости резания

Рабатываемой детали. Подача s (мм/об) — продольная подача параллельно оси обрабатываемой детали или по­перечная подача перпендикулярно оси детали — вместе с процессом резания составляют рабочее движение. Ско­рость резания v (м/мин) —это рабочее движение в еди­ницу времени, т. е. скорость движения обрабатываемой детали относительно режущей кромки инструмента. В большинстве случаев скорость подачи очень мала и поэ-

Тому может не учитываться. Таким образом, скорость резания можно рассматривать как путь, пройденный ре­жущей кромкой по обрабатываемой детали в направле­нии резания за единицу времени. При точении детали ди­аметром d (мм), вращающейся с п (об)мин), скорость резания составляет

Ndn,

, м/мин.

V

1000

Глубиной резания а (мм) называется толщина слоя ма­териала, снимаемого с обраба­тываемой детали (рис. 67). Если di — диаметр обрабаты­ваемой детали и — диаметр обработанной детали, то глу­бина резания составляет

&» 1

Ч

Xti ^

3

I

-л L

А

, 1

F Л

\ ^

Di-

А =

Рис. 67. Измеряемые вели­чины при точении

Для определения скорости резания в уравнение подстав­ляют средний диаметр

При малых и средних глубинах резания в расчет прини­мают диаметр обрабатываемой детали.

Тремя главными плоскостями, которыми пользуются для определения составляющих усилия резания и углов резания, являются: первая главная плоскость в направлении продольной подачи, вторая главная плоскость в направлении поперечной подачи и нап­равлении резания и третья главная плоскость, перпендикулярная двум предыдущим. Параллельно третьей главной плоскости лежит опорная поверхность токарного резца.

На обрабатываемой детали различают обрабаты­ваемую поверхность (поверхность, которая уда­ляется в результате обработки), обработанную поверх­ность (поверхность, получающуюся в результате реза­ния) и поверхность резания (поверхность, обра­зующуюся непосредственно под режущей кромкой ин­струмента) .

Углы и поверхности резца

Углы резца выбирают в зависимости от характера процесса резания. При изготовлении режущих инстру­ментов руководствуются определенными значениями уг­лов резца. Точное определение углов сопряжено с труд­ностями, так как величина углов не должна зависеть от положения инструмента относительно обрабатываемой детали. В большинстве промышленных стран на резцы

Рис. 68. Углы н поверхности токарного резца по стандарту ДИН 768:

1 — передняя поверхность; 2 — поверхность резания; 3 — задняя поверхность вспомогательной режущей кромки; 4 — рабочая поверхность; 5—угол наклона Я,; 6 — задняя поверхность главной режущей кромки

Существуют стандарты, определяющие посредством из­мерительных плоскостей или системы координат положе­ние главной режущей кромки и передней поверхности. В немецких стандартах ДИН 768 и 6581 (1960 г.) углы ре­жущей кромки определяются при помощи условных пло­скостей, образующихся из направлений движения при резании (см. рис, 66) [26, 27]. Резец имеет (рис. 68) главную режущую кромку (непосредственно участвующую в процессе резания) и вспомогатель­ную режущую кромку (примыкающую к закруг­лению при вершине и способствующую отделению струж­ки от обрабатываемой поверхности в зависимости от радиуса закругления и толщины среза). Различают так­же переднюю поверхность резца, по которой сходит стружка, и заднюю поверхность (главной и вспомогательной режущей кромки), обращенную к по­верхности резания или обработанной поверхности де­тали.

На инструменте различают следующие углы.

Задний угол а-—угол между поверхностью реза­ния и задней поверхностью резца. В случае твердосплав­ных инструментов этот угол должен быть по возможно­сти малым для обеспечения хорошей опоры. Однако слишком малый угол (в зависимости от обрабатываемого материала) увеличивает трение. Как правило, угол а равен 4—5° при обработке стали, 6—8° — мягких метал­лов и 10—15° — меди.

Передний угол у — угол между перпендикуля­ром на поверхность резания и передней поверхностью резца. Чем больше передний угол, тем легче отделяется стружка от обрабатываемой детали. Однако из-за опас­ности выкрашивания (что зависит как от обрабатывае­мого, так и от режущего материала) величина угла не должна превышать определенного значения. При обра­ботке меди и мягкой стали твердыми сплавами угол у составляет 20—18°; при обработке легких металлов он может быть еще больше. С увеличением твердости обра­батываемого материала угол у уменьшают. Для обработ­ки особо твердой стали и материалов очень высокой прочности с успехом применяют даже отрицатель­ный передний угол. Чем больше а и особенно у. тем меньше заключенный между ними угол за­острения |3 и тем больше опасность разрушения режу­щей кромки. Поэтому для твердого сплава, который яв­ляется относительно хрупким материалом, углы а и Y должны быть по возможности малыми, особенно при прерывистом резании твердых материалов; необходимой предпосылкой для этого является, конечно, достаточная мощность станка. При отрицательном переднем угле у угол заострения превышает 90° и режущая кромка под­вергается в основном сжимающей нагрузке (рис. 69) [12].

Угол установки к—угол между первой глав­ной плоскостью и проекцией режущей кромки на третью главную плоскость. Он определяет толщину среза h и активную часть режущей кромки и влияет на сопротив­ление резанию и плавность процесса резания. Как пра­вило, угол х равен 30—60°. Чем больше склонность об­рабатываемой детали к вибрации, тем большим должен быть угол установки. У подрезного токарного резца он составляет 90, у широких чистовых резцов 0°.

Угол наклона Я—угол наклона главной режу­щей кромки к третьей главной плоскости. Если режущая кромка опускается к вершине, угол Я положительный. Для твердосплавных инструментов угол наклона имеет

А

Рис. 69. Нагрузка на ре – Рис 70. Режущая кромка с различ-

Жущую кромку при по – ным углом наклона X:

Ложительном и отрица – й–Я<о°; Б-X о°- SA= >оэ тельном переднем угле

Большое значение. У сравнительно хрупких твердых сплавов следует избегать нагрузки на вершину режущей кромки, возникающей в начале резания, особенно при прерывистом резании. Если вершина режущей кромки является самой низкой точкой главной режущей кромки и угол X является положительным (рис. 70), опасность выкрашивания уменьшается. Однако при больших углах наклона требуются большие усилия резания. Наиболее надежный радиус закругления вершины резца г равен коэффициенту 2,5, умноженному на величину подачи; он применяется в том случае, если не требуется меньший радиус при обработке нежестких деталей или больший радиус при чистовой обработке для достижения высокой чистоты поверхности.

В книге не рассматриваются обозначения углов реза­ния по американским стандартам. Однако необходимо отметить, что в работе Крекелера [12] имеются формулы и графики для пересчета углов, принятых в американских стандартах в соответствии с немецкими стандартами [28].

Стружка

Поверхность стружки, лежащая в воображаемой пло­скости, перпендикулярной к направлению резания и про­ходящей через вершину резца, называется сечением среза F:

F — Hb,

Где h—толщина среза;

B—ширина среза (см. рис.67).

Рис. 71. Формы сечения среза

Практически сечение среза является произведением по­дачи на глубину резания:

F — as.

При одинаковой подаче и одной и той же глубине ре­зания форма сечения среза различна (рис. 71) и зависит от угла установки к или от формы режущей кромки (прямая или изогнутая). От формы сечения среза зави­сит не только удельное давление резания, но и стойкость инструмента.

Лайензеттер [5] предлагает рассматривать форму се­чения среза, площадь которого выражена теоретическим сечением среза as, по отношению к длине захвата I (рис. 72). Для этой цели он вводит коэффициент резания,

Равный — , и рассматривает величину, обратную этому коэффициенту, как толщину среза in:

Таким образом, m является принятой толщиной среза площадью as по длине захвата I. Величина m всегда малых скоростях резания и непосредственное наблюде­ние за процессом резания с помощью скоростной кино­съемки позволяют объяснить процесс стружкообразова­ние следующим образом.

Вначале режущая кромка инструмента во все возра­стающей мере деформирует поверхность обрабатываемой детали. При дальнейшем повышении давления возника­ют нагрузки, при которых разрушается структура. Отде­ленные частицы материалов в виде стружки начинают перемещаться вдоль передней поверхности резца, при этом они подвергаются срезающим напряжениям, в ре­зультате чего в определенных плоскостях скольжения полностью или частично разрушается связность стружки. Отдельные фазы этого периодически повторяющегося процесса сопровождаются изменениями давления реза­ния, за которыми можно проследить при резании с очень низкими скоростями. При очень высоких скоростях реза­ния изменения сопротивления следуют одно за другим так быстро, что измерению они уже не поддаются. Одна­ко это выражается в виде более или менее сильной виб­рации в процессе резания.

Рис. 72. Толщина среза:

Меньше величины s. Длина захвата / зависит от глуби­ны резания, угла установки и радиуса закругления вер­шины. Чем больше толщина стружки, тем меньше длина активной части режущей кромки и тем меньше стой­кость.

Сопротивление резанию

А — глубина резания; / — длииа Стружкообразование

Измерения колебаний давления резания при очень

Захвата; M — толщина среза; S — подача

Срезание отдельных частиц стружки происходит у различных материалов по-разному в зависимости от пре­дела прочности при растяжении, относительного удлине­ния и твердости материала. У хрупких материалов (чу­гун) стружка полностью отламывается; образуется ко­роткая стружка надлома. У вязких материалов (сталь) образуется длинная сливная стружка, но и в этом случае заметна деформация, которую можно наблюдать по изменению сечения среза. При обработке мягких и вязких материалов резцом с отрицательным передним углом образуется стружка надлома. Короткую стружку получают и при обработке вязких материалов режущей кромкой специального выполнения (со струж – коломающим уступом) [29, 30].

Форма стружки зависит не только от материала, но и от других факторов, в частности от углов режущей кром­ки, глубины резания, подачи, скорости резания и т. д. Многочисленным исследованиям взаимосвязи этих фак­торов посвящена специальная литература [12, 18].

Для деформации стружки необходима затрата опре­деленной работы, которая тем больше, чем сильнее де­формация [31]. Образование стружки надлома у вязких материалов обусловливает поэтому большую нагрузку на инструмент; требуются большие усилия резания и затрата энергии. Между деформацией стружки и каче­ством поверхности обрабатываемой детали существует зависимость. Значительно сильнее стружка деформиру­ется при низких скоростях резания, так как деформи­руются отдельные кристаллиты, вырываемые из мате­риала, и поверхность детали становится шероховатой и чешуйчатой. При высоких скоростях резания, применяе­мых для твердых сплавов, кристаллиты отделяются ре­жущей кромкой без существенной деформации. Поверх­ность резания и обрабатываемая поверхность детали при этом очень гладкие, что свидетельствует о целесообраз­ности применения твердого сплава [31, 32].

Характерным явлением при резании металлов, в ча­стности стали, является упрочнение обрабатываемой де­тали, а также и стружки вследствие срезающих напря­жений. По данным Мерчанта [33], твердость поверх­ности обрабатываемой детали (в зависимости от вида материала) в 1,5—2,5 раза, а твердость стружки в три раза выше первоначальной твердости. У хрупких мате­риалов (чугун) твердость почти не повышается. Трение стружки и обрабатываемой детали об инструмент также влияет на усилие резания.

Таким образом, при резании необходимо преодолеть следующие усилия: сопротивление резанию, т. е. сопро­тивление материала отделению от него частиц; сопро­тивление деформации, т. е. сопротивление снятого и об­рабатываемого материала изменению формы (упругая и пластическая деформация обрабатываемой детали и стружки); сопротивление трению, обусловленное трени­ем стружки и обрабатываемой детали об инструмент. Большая часть работы резания уходит на преодоление сопротивления деформации; так, при резании чугуна на это затрачивается 50%, а при резании стали 75% об­щей работы. На сопротивление резанию расходуется 35% общей работы при обработке чугуна и 15% при обработке стали. Остающаяся часть общей работы тра­тится на преодоление сопротивления трению.

Образование нароста на режущей кромке

При резании мягких и вязких материалов на режу­щей кромке инструмента нередко скапливаются частицы обрабатываемого материала (рис. 73) [34—36]. Так на­

Рис. 73. Образование нароста на режущей кромке

Зываемый нарост на режущей кромке в процессе рабо­ты увеличивается и затем частично или полностью от­рывается и уносится со стружкой; при этом иногда вы­рываются и частицы режущей кромки, а на лезвии снова образуется нарост. Происходит периодическое образова­ние и удаление нароста. Следствием этого непрерывного процесса, отдельные фазы которого длятся лишь доли секунды, является износ режущей кромки, приводящий к ее разрушению. В связи с этим следует отметить ха­рактерное явление износа по передней поверхности рез­ца при обработке стали — так называемое лункообра – зование, являющееся следствием процесса приварива­ния. Тэйлор объяснял образование нароста скоплением мельчайших частиц материала, которые привариваются к лезвию в процессе резания под действием давления и относительно высокой температуры. Давиль [37, 38] подтвердил это предположение интересными исследова­ниями. Образцы из обрабатываемого и режущего мате­риала (твердые сплавы WC—Со и WC—TiC—Со), по­верхность которых была очень тщательно отшлифована и отполирована, спрессовывали под определенным дав­лением в течение некоторого времени при повышающей­ся температуре. При этом определяли сначала мини­мальную температуру, требующуюся для приварива­ния образцов, так называемую температуру «схватыва­ния». Ниже приведена температура схватывания (прива­ривания) для исследованных пар разных материалов [29].

Температура прива – Металлы и сплавы ривания, "С

Сталь прочностью 60 кГ/мм2-.

TOC \o "1-3" \h \z WC 1000

WC+ 0,5% Со 900

WC+ 1 % Со 775

WC + 5% Со 625

WC + 20°/o Со 625

Со 550

WC+15%TiC + 5%Co 775

TiC 1000

Быстрорежущая сталь 575

Сталь прочностью 110 кГ/мм2:

WC 1050

WC+0,5% Со 900

WC +1 % Со 800

WC+5% Со 750

Со 750

WC + 15%TiC + 5%Co 850

TiC 1150

Серый чугун твердостью 200 кГ/мм2:

WC+5% Со 700

WC + 15%TiC+5%Co 825

Затем определяли прочность сцепления пар материа­лов при повышающейся температуре. В табл. 54 и на

Прочность шва твердый сппав — стапь в зависимости от температуры приваривания (нагрузка 2,2 кГ/мм2, время 20 мин)

Температура приваривания, 0C

Предел прочности при растяжении шва, кГ/мм2

Твердый сплав WC-Co (95/5) (Gl)

Твердый сплав WC-TiC-Co (80/15/5) (Si)

Сталь 40*

Сталь 120*

Сталь 40*

Сталь 120*

625

0,2

650

0,5

675

1,2

—.

0,01

700

2,2

0,01

0,05

725

3,6

0,01

0,6

750

4,1

0,1

0,5

775

1,1

0,7

800

0,7

0,7

0,1

825

1,0

1,2

0,01

850

4,8

1,5

0,5

875

3,5

1,6

1,1

900

5,2

1,9

0,4

925

5,2

1,3

950

6,2

0,8

1000

7,2

_____

_____

1075

0,7

* Предел прочности прн растяжении 40 и 120 кГ/мм2.

Твердосплавной режущей кромки в результате привари­вания) показывают превосходство сплавов WC—TiC—Со перед сплавами WC—Со при резании стали.

Характерной особенностью явления износа в резуль­тате наростообразования при резании некоторых мате­риалов является то, что он возникает в определенном диапазоне скоростей резания (большей частью при низ­ких скоростях реза­ния) и затем при пере­ходе определенной гра­ницы снова исчезает. Это можно объяснить тем, что при высоких скоростях резания тре­ние между резцом (пе­редней поверхностью) и стружкой умень­шается и изменяется структура стружки вследствие рекристал­лизации и упрочнения; при определенных ус­ловиях происходит не­большое поверхност­ное окисление. Про­должительность сопри­косновения стружки с резцом также сокра­щается при увеличе­нии скорости резания. Все эти факторы в ка- кой-то степени препят­ствуют образованию нароста. Стружка действует на резец как твердое тело и изнашивает его, образуя на передней поверхности резца углубление.

650 750 650 950 TsnnepamypaX

Рис. 74. Прочность шва в зависи­мости от температуры приварива­ния (нагрузка 2,2 кГ/мм2, 20Мин):

1 — твердый сплав Gl — сталь 40; 2 — твердый сплав Sl — сталь 40; 3 — твер­дый сплав Gl — сталь 120; 4 — твердый сплав Si—сталь 120

Раньше полагали, что нарост должен благоприятно сказываться на сроке службы режущей кромки, предох­раняя ее от износа вследствие истирания и действия тем­пературы. Однако исследования в частности твердого сплава показали обратное. Нарост приводит к неплав­ной работе инструмента (что значительно ухудшает ка­чество поверхности обрабатываемой детали), к нерав-

Номбрности подачи и прежде всего к преждевременному разрушению режущей кромки. При обработке твердыми сплавами образование нароста связано большей частью с неправильным выбором скорости резания —- слишком низкой скоростью. Срок службы режущей кромки при этом сокращается из-за ее выкрашивания в результа­те отрыва наростов.

Минералокерамические режущие пластинки по по­нятным причинам не склонны к образованию наростов.

Усилия резания

Сопротивление, оказываемое обрабатываемым мате­риалом отделению и деформированию стружки (включая трение), обычно называют сопротивлением резанию. Оно выражается в действующей на резец силе Р, ко­торую при обычном продольном точении можно разло­жить на три составляющие (см. рис. 66). Главная си­ла резания Рн, действующая в направлении главного движения резания, лежит на линии пересечения первой и второй главных плоскостей. Усилие подачи Pv явля­ется осевой силой в горизонтальной плоскости, дейст­вующей как сопротивление подаче и лежащей на линии пересечения первой и третьей главных плоскостей. Уси­лие отжима резца Ps является радиальной’силой в горизонтальной плоскости, лежащей на линии пересече­ния второй и третьей главных плоскостей.

Соотношение между составляющими Pfft Pv и Р, не является постоянным и зависит от формы режущей кромки и ее положения, а также от сечения среза и на­правления резания. Необходимо знать соотношение сил при резании, так как этим определяется нагрузка па отдельные узлы станка, т. е. его конструкция.

Равнодействующая сила резания P изменяется в процессе образования стружки, что может привести к нежелательной вибрации во время обработки. При вы­соких скоростях и правильно выбранных углах резания колебания незначительны, если станок не перегружен, а инструмент и обрабатываемая деталь достаточно же­стки и хорошо закреплены.

Величина силы P и ее разложение на отдельные со­ставляющие зависят от обрабатываемого материала и режимов резания. Любой материал в зависимости от свойств оказывает на режущую кромку определенное давление — давление резания (усилие резания). При постоянных режимах резания каждый материал харак­теризуется определенным давлением резания; отнесен­ное к 1 мм2 площади поперечного сечения оно дает удельное давление резания ^s[39, 40]. Поскольку глав­ное усилие резания имеет решающее значение [в то вре­мя как сила подачи Pv и сила отжима резца Ps оказы­вают лишь незначительное влияние (до—0,1) на общее усилие резания и практически могут быть опущены], оно является, как правило, общим усилием резания, т. е. РН = Р. Для стружки площадью F общее усилие резания

Р (кг) = F (мм2)-ks (KF1MM2).

Удельное давление резания ks не является, однако, постоянной величиной для данного материала; оно за­висит от режимов резания и особенно от формы струж­ки, формы сечения стружки, углов резания, смазки, тем­пературы и т. д. Даже при постоянном значении этих ве­личин и определении так называемого «коэффициента резания» остается еще зависимость от скорости резания и состояния режущей кромки. Вполне понятно, что при таких условиях трудно получить согласующиеся вели­чины, и поэтому литературные данные об удельном уси­лии резания имеют значительные отклонения.

Определение усилий резания в зависимости от раз­личных (рассматриваемых ниже) факторов имеет осо­бое значение при использовании твердых сплавов, позволяющих применять такие скорости резания, кото­рые создают высокие усилия резания. Для преодоления этих усилий станок должен подвергаться предельным нагрузкам. Поэтому при конструировании обрабатываю­щих станков и инструментов для твердого сплава не­обходимо знание величин отдельных составляющих уси­лия резания.

Для практического определения усилия резания раз­работано большое количество механических, гидравли­ческих, пневматических и электрических приборов, из которых наибольшее распространение имеет индуктив­ный прибор Шалльброха и !Баумана [41].

Влияние различных факторов на давление резания

Влияние прочности обрабатываемого материала. Из сказанного о процессе стружкообразовання следует, что удельное усилие резания тесно связано с прочностью и твердостью обрабатываемого материала. Тем не менее расчеты на основе этих данных о прочности вызывают

WO

Рис. 75. Зависимость усилия резания при точении твердым сплавом S2 от величины переднего угла. Обрабатываемый ма­териал—сталь St 70.11, сечение среза aXs=4,5X0,47=2,1 мм2, Скорость резания v = 140—160 м/мин:

V S ЬОО

700

N 600 I

< 500 J"

300

200

Г

У

S

У

3

.

У

У

2

\

И

1 — главная сила резания Ps; 2 — удельное давление резания ks\ 3 — сила подачи Р_; 4 — енла отжима резца Pt

Большие трудности; формулы же, полученные эмпири­ческим путем, в частности уравнение Кроненберга [4] для чугуна и стали, могут служить лишь для ориентировоч­ных расчетов.

Влияние углов резания. Углы резания, особенно а, Y и х, оказывают большое влияние на величину уси­лия резания, причем форма инструмента, при которой усилие резания наименьшее, не всегда является на­илучшей (см. раздел об отрицательном переднем угле).

Увеличение заднего угла а способствует уменьше­нию усилия резания, однако при использовании твердо­го сплава нельзя переходить определенную границу из-за опасности поломки режущего лезвия. Большой пе­редний угол у также оказывает благоприятное влияние на усилие резания. Поскольку увеличение углов а и у приводит к уменьшению угла заострения р и увеличи­вает опасность выкрашивания заостренного лезвия, для твердого сплава выбирают по возможности большой угол р; в особо трудных случаях он должен быть боль­ше 90°, т. е. нужно применять отрицательный передний угол. При этом, согласно Паличу [42] (рис. 75), сильно увеличивается усилие резания, что приводит к значитель­ному повышению потребной мощности станка и теплооб­разованию на лезвии. Однако для твердосплавного рез­ца, обладающего очень высокой жаропрочностью, это не является недостатком, так как режущая кромка при отрицательном переднем угле в большинстве случаев подвергается сжимающей нагрузке. О работе инстру­ментов с отрицательным передним углом сообщается в обширной литературе [7,43—49].

С увеличением угла установки х давление резания сначала снижается, достигая минимального значения, а затем снова возрастает. Лучший угол установки при обработке стали составляет 45°, при обработке чугуна 60°. Изогнутое лезвие и большой радиус закругления вершины с относительно большой длиной захвата обус­лавливают большую деформацию стружки и, следова­тельно, высокое удельное усилие резания.

Влияние сечения среза. Общее усилие резания возра­стает (при соблюдении одинаковых углов резца и прак­тически одинаковых условий обработки) почти линейно с увеличением сечения среза. Удельное усилие резания, напротив, сильно увеличивается с уменьшением сечения среза, так как при малом сечении стружки затрачивает­ся относительно большая работа на ее образование. В двойной логарифмической системе координат зависи­мость удельного усилия резания от сечения стружки для различных материалов выражается прямой (рис. 76).

Удельное давление резания зависит также от формы стружки. При увеличении толщины стружки h оно умень­шается медленнее, чем происходит это увеличение; при увеличении ширины стружки b оно возрастает почти про – йорционально. Таким образом, удельное усилие резания зависит от глубины резания — с увеличением подачи оно уменьшается.

Влияние скорости резания. Скорости резания, приме­няемые при обработке быстрорежущими сталями, не влияют на удельное усилие резания. При повышении скорости резания до ~ 100 м/мин (что вполне возможно для твердосплавных резцов) усилие резания уменьшает-

Рис. 76. Зависимость удельного давления ре­зания Ks от сечения среза при обработке раз­личных материалов твердыми сплавами (и = = 100 м/мин, a :s = 5:1, сухое резание):

/ — сталь St90; 2 — сталь St50; 3 — Ge26; 4 — Ms58; 5 —Al—Cu-Mg; 6 — Zn—CU4A; 7 — 6Mg—Al-Zn; 8 — слоистая древесина; 9 — слоистый пластик на тка­невой основе

Ся в большей или меньшей степени в зависимости от об­рабатываемого материала и при дальнейшем увеличении скорости резания остается постоянным.

Влияние смазки. Усилие резания можно уменьшить, применяя соответствующие смазочные жидкости. Так, удельное давление резания снижается на 5—10% при применении эмульгированного минерального масла и до 20% при использовании растительного масла.

Влияние температуры. При так называемом «го­рячем резании», когда обрабатываемую деталь сильно нагревают (различный индукционный или электродуго­вой нагрев, а также применение сварочной горелки), на преодоление сопротивления отделению и деформации стружки требуется меньшее усилие, поскольку с повы­шением температуры прочность и твердость всех мате­риалов уменьшаются [50—56]. Повышение твердости в результате деформации обрабатываемой детали и стружки произойти не может. Поэтому усилие резания, как показали последние исследования, существенно уменьшается (при условии, что режущая кромка, кото­рая находится в таких же условиях, как и обрабатывае­мый материал, способна выдержать температурные на­грузки). Поскольку твердый сплав обладает очень вы­сокими жаропрочностью и горячей твердостью, резание обрабатываемой детали в нагретом состоянии очень перспективно [57—59]. По этим же соображениям, в на­стоящее время особый интерес представляет горячее резание минералокерамическим инструментом.

Температура резания

Как уже говорилось выше, температура играет ре­шающую роль при образовании нароста на поверхности резца и износе лезвия. Для стальных инструментов, у которых с повышением температуры прочность и твер­дость уменьшаются, температура резания вообще имеет основное значение. Критический диапазон температур при применении твердосплавных инструментов (в резуль­тате высоких «горячей» твердости и прочности металло – керамических твердых сплавов) лежит значительно вы­ше, чем у быстрорежущей и тем более углеродистой сталей. Тем не менее выяснение причин теплообразования на лезвии и определение температуры резания имеет очень большое значение с точки зрения их влияния на стой­кость твердосплавных инструментов.

Распределение теплоты и определение температуры резания

F

Энергия, затрачиваемая на обработку материала, почти полностью преобразуется в теплоту. В соответст­вии с затратой работы при резании, образующуюся теплоту можно подразделить на теплоту стружкообразо- еания, теплоту деформации и теплоту трения, На рис. 77 [49, 50, 55, 60—62] показано, как распределяется образующаяся теплота на обрабатываемую деталь, ин­струмент и стружку. Такое распределение бывает лишь при нормальных режимах обработки; при неблагоприят­ном выборе режима (неправильные углы резания и сече­ния стружки) или при тупом резце сопротивление ре­занию увеличивает­ся при одновремен­ном повышении тем­пературы, причем на инструмент и на обрабатываемую де­таль приходится большая доля теп­лоты.

Рис. 77. Распределение теплоты, обра­зующейся при резании, в зависимости от скорости резания:

/ — в обрабатываемой детали; 2 — в инстру­менте; 3 — в стружке

Нагрузка на ин­струмент связана не только с общим ко­личеством теплоты, но и с ее распреде­лением. Несомнен­но, что стойкость инструмента зави­сит от той темпера­туры, которая разви­вается после уста­новления равновесия в наиболее нагруженной области инструмента, т. е. в зоне контакта режущей кромки с об­рабатываемой деталью. Эта температура —так называе­мая «температура резания» (зависящая от количества образовавшейся теплоты, теплопроводности инструмен­та, детали и стружки, величины теплопроводящего се­чения, теплового излучения, искусственного охлаждения и т. д.), как уже указывалось выше, имеет решающее значение для процесса резания и работоспособности ин­струмента. Вопросу определения температуры резания посвящены многочисленные исследования с использова­нием калориметрических и термоэлектрических спосо­бов, методов теплового излучения, а также метода по­крытия резца специальными красками. Установки и методы для определения температур резания описаны в книге Ланга [13], а также в специальной литературе [44, 63].

/ — 5=0,4; 2 — .1=0,2; 3 — 5=0,1

O^ 800

Ш

С коросте резания к л/мин

Рис. 78. Влияние скорости резания и подачи на температуру резания стали твердыми сплавами:

F

Факторы, влияющие на температуру резания

Режимы резания. Температура резания всех материа­лов повышается с увеличением скорости резания, глу­бины резания и подачи. Эта зависимость выражается при резании стали более четко, чем при обработке чугу­на; при этом наибольшее влияние оказывает скорость резания, затем сле­дует подача; глуби­на резания влияет лишь незначитель­но. При анализе удельного усилия резания установле­но, что для дости­жения большей про­изводительности це­лесообразнее полу­чать толстую струж­ку, т. е. давать боль­шую подачу. С точ­ки зрения тепловой нагрузки лезвия лучше тонкая стру­жка, т. е. большая глубина резания и малая подача. По­скольку температура резания оказывает решающее влияние на стойкость, рекомендуется применять малую ; подачу и большую глубину резания. I. Кремер 1 установил, что при обработке стали твер – > дыми сплавами на высоких скоростях резания (50— 500 м/мин) температура резания повышается значитель­но медленнее, чем при низких скоростях при условии, конечно, что в последнем случае на качество измерений не будет влиять наростообразование на передней по­верхности резца (рис. 78). Как уже указывалось выше, с увеличением скорости резания уменьшается дефор­мация материала и стружки; кристаллиты обрабатывае­мого материала не вырываются, а разрезаются, благо­даря чему уменьшается потребное усилие, а следователь­но, и теплообразование.

Обрабатываемый материал. При резании различных материалов развивается и различная температура. Чем прочнее материал, тем больше сопротивление резанию и теплообразование. Так, например, при обработке стали и чугуна возникает значительно более высокая темпе­ратура, чем при обработке цветных и легких металлов. В свою очередь при резани стали развивается более вы­сокая температура, чем при резании чугуна. Однако это нельзя объяснить различными удельными усилиями реза­ния. Во всяком случае, тепловая нагрузка на лезвие при обработке чугуна ниже, чем при обработке стали. Это можно объяснить тем, что для нагрузки лезвия решаю­щим является не абсолютное количество тепла, а доля его от общего количества теплоты, приходящаяся на нагрев резца, что определяется режимом обработки и стружкообразованием. Витая стальная стружка отделя­ется от резца не непосредственно за режущей кромкой, а скользит по передней поверхности, образуя спираль. В результате этого увеличивается не только поверхность соприкосновения между стружкой (в качестве основно­го носителя теплоты) и резцом, но и продолжительность контакта. В противоположность этому менее деформиро­ванная и значительно более холодная чугунная стружка сразу отделяется от резца и падает. Таким образом, по­верхность и продолжительность соприкосновения очень малы, а следовательно, и температура лезвия значитель­но ниже. Так как температурные кривые при обработке чугуна и стали изменяются совершенно по-разному, то и влияние подачи на скорость резания чугуна сказывает­ся в значительно меньшей степени.

Определенное значение’ имеют также теплопровод­ность и теплоемкость обрабатываемого материала; чем больше теплопроводность, тем быстрее отводится тепло­та от места ее возникновения; чем больше теплоемкость, тем большее количество теплоты раходуется на нагрев обрабатываемой детали и тем меньше нагревается ре­зец и стружка.

Обрабатывающий материал. Теплопроводность и теплоемкость инструмента влияют на температуру ре­зания таким же образом, как и соответствующие свойст­ва обрабатываемого материала. Теплопроводность твер­дых сплавов группы WC—Со (см. табл. 8) значительно выше теплопроводности быстрорежущей стали. Это благоприятно сказывается на обработке материалов, да­ющих стружку надлома, когда температурная нагрузка на лезвие не очень большая. В сравнении с быстрорежу­щей сталью твердые сплавы WC—TiC—Со для обработ­ки стали обладают (в зависимости от содержания TiC + TaC) примерно такой же или несколько меньшей тепло­проводностью. Однако этот недостаток, который мог бы сказаться на температуре резания, не существенен, так как режущие свойства твердых сплавов не подвержены влиянию температуры в такой степени, как сталь. То же справедливо и в отношении удельной теплоемкости твер­дых сплавов, которая значительно ниже удельной теп­лоемкости быстрорежущей стали.

Стойкость резца

Стойкость и ее определение

Под стойкостью режущего инструмента подразуме­вают отрезок времени, в течение которого заточенный режущий инструмент работает до затупления. Опыты по определению стойкости имеют важное значение для оценки обрабатываемости материала и выбора режуще­го материала и позволяют определить ориентировочные скорости резания для производственных условий [40, 64—66]. Таким образом, стойкость различных режущих материалов при обработке определенного материала и прочих равных условиях резания (этот случай интересен в первую очередь) характеризует пригодность этих режу­щих материалов для данного процесса резания. С дру­гой стороны, стойкость определенного инструмента при обработке различных материалов при прочих равных условиях резания характеризует обрабатываемость этих материалов [21, 24, 25, 67—72]. Путем применения пре­рывистого резания (некруглых, ребристых валов с паза­ми) условия испытания при определении стойкости мо­гут быть осложнены и приспособлены к условиям обра­ботки фрезерованием.

Практически стойкость режущего инструмента опре­деляют на опытах по точению или других видах резания; при постояннных режимах ступенчато повышают ско­рость резания и определяют время полного износа ре­жущей кромки. Износ быстрорежущей стали выявляет – ется в виде блестящей полосы на поверхности резания, образующейся в результате того, что затупившееся лез­вие не режет, а скользит по поверхности резания.

Зависимость стойкости от скорости резания может быть выражена кривыми, которые в системе двойных логарифмических координат превращаются в прямые линии (прямые T—v). Изменяя сечение среза, получают параллельные друг другу прямые линии, что дает воз­можность определить скорость резания при стойкости, обычно применяемой на практике, т. е. v6o, v^o и т. д. Для различных материалов, обрабатываемых одинако­вым инструментом, или для одинаковых материалов, об­рабатываемых различным режущим инструментом, по­лучают прямые линии стойкости с разным углом наклона.

Для построения прямых стойкости можно обойтись двумя точками, расположенными на возможно большем расстоянии друг от друга. Построение подлинных кри­вых T—V является продолжительной операцией. При резании твердым сплавом, т. е. материалом, обладаю­щим устойчивой структурой, как правило, не бывает внезапного выхода лезвия из строя; оно изнашивается медленно по задней (полоска износа) и по передней по­верхностям (лунка) резца одновременно. Поэтому для определения стойкости твердосплавного инструмента обычно применяют так называемый «метод износа лез­вия». При этом определяют увеличение ширины площад­ки износа на задней поверхности резца [27, 31, 32, 36, 73, 74]. Вначале износ прогрессирует быстро, затем все мед­леннее, и при построении графика в двойных логариф­мических координатах снова получают прямую линию (прямую В—Г’). Применяя разные скорости резания, получают параллельные прямые, с помощью которых можно определить очень важную для производства за­висимость износ-—стойкость (прямые Т’в—и при опре­деленной ширине площадки износа).

Для сокращения продолжительности испытаний па стойкость были предложены многочисленные методы кратковременных испытаний. Так, например, твердые сплавы испытывают до ширины площадки износа 0,1 мм и получают так называемые кривые T0,i—v. Измерение температуры резания, которое является относительно быстрой и простой операцией, также может быть исполь­зовано в качестве кратковременного метода. По кривым температура резания — скорость резания (кривые T—v) и температура резания — стойкость (кривые T—t), кото­рые в двойном логарифмическом масштабе являются прямыми линиями, можно построить кривые T—V.

Многочисленным другим методам определения стой­кости (при особом внимании к кратковременным мето­дам испытаний) посвящено систематическое исследова­ние Шалльброха и Бетмана [18].

Износ режущего инструмента и его причины

В процесе резания резец выходит из строя в результа­те затупления (конец периода стойкости), поломки (пол­ное разрушение режущей кромки или выкрашивание частиц режущего материала), размягчения (потеря твер­дости у стали и приваривание — явления, почти не на­блюдаемые у твердого сплава) и, наконец, в результате все увеличивающегося износа. Характер износа и его влияние на процесс резания могут быть различны.

На рис. 79 показаны разные виды износа токарного резца, которые могут проявляться раздельно или одно­временно [18]. При работе твердосплавным инструмен­том причиной выхода резца из строя является в первую очередь его износ. Задняя и передняя поверхности резца постепенно истираются до полного затупления. Тщатель­ное измерение ширины площадки износа свидетельствует [75] о скачкообразном увеличении износа (каскадный износ), которое можно объяснить изменениями, проис­ходящими в характерной для твердых сплавов струк­туре.

При обработке материалов, дающих сливную струж­ку (сталь), резец обычно изнашивается по задней по­верхности вследствие трения; износ по передней поверх­ности вследствие истирания происходит кратерообразно под влиянием очень нагретой, твердой, шероховатой и изогнутой стружки, причем за режущей кромкой образу­ется корытообразное углубление — так называемая «лунка». На рис. 80 показан износ по задней поверх­ности резца (площадка износа), а на рис. 81 —лунка на передней поверхности твердосплавного резца. При точе­нии глубина лунки увеличивается, причем ее край, на-

Рис. 79. Различные виды износа резца. Разрезы перпендикулярны к режущей кромке в плоскости N—N:

В и в..

Ветственно; S1

А

•смещение режущей кромки иа задней и передней по­

Верхностях соответственно; B^—ширина лунки на передней поверхности;

В,—ширина полки перед лункой; T — глубина лунки L а

А — износ по задней поверхности 3; Б — лункообразование; В— изиос по пе­редней поверхности; Г—изиос режущих кромок (округление кромок); 1 — износ вершины; 2 — косой износ вершины; 3 — граница износа

A-A

Рис. 80. Износ резца по задней и передней поверхностям:

¦ ширина площадки износа иа задней и передней поверхностях соот­ходившийся вначале на расстоянии — 1 мм за режущей кромкой, приближается к последней по мере резания (см. рис. 81). Поскольку одновременно изнашивается и задняя поверхность, полоска между режущей кромкой и краем лунки (так называемая «полка перед лункой») становится все уже, угол заострения уменьшается, что приводит к более или менее сильному выкрашива­нию режущей кромки, и резание становится невоз­можным.

?

Рис. 81. Нарастание износа режущей кромки твердосплавного резца:

/ — задняя поверхность; 2 — износ по задней поверх­ности; 3 — режущая кромка; 4 — разрушение; 5—лун­ка износа; 6 — передняя поверхность; 7 — твердый сплав

При определении стойкости твердых сплавов путем измерения износа резца в большинстве случаев опреде­ляют ширину площадки износа В на задней поверх­ности резца (см. рис. 80) с помощью измерительного микроскопа. Износ по передней поверхности, определе­ние которого можно было бы проводить путем измерения объема лунки, пока не применяется для количественной оценки [40, 76, 77].

Процесс и причины износа металлического режущего материала при обработке резанием очень сложны. У твердого сплава они связаны со свойствами обрабаты­ваемого материала и с характерными свойствами струк­туры самого режущего материала [21, 24, 25, 31, 36, 40, 60, 67—69, 71, 72, 74, 78—86]. В соответствии с описа­нием стружкообразования различают материалы, даю­щие короткую стружку надлома (чугун, цветные метал­лы, керамика, пластмассы и т. д.), и материалы, даю­щие сливную стружку (сталь).

У чугуна удельное сопротивление резанию относи­тельно мало, поэтому образуется небольшое количест­во тепла. Короткая стружка надлома отделяется от ма­териала и сразу спадает без длительного соприкасания с режущей кромкой. Поскольку в процессе резания стружка является основным носителем тепла, то при обработке чугуна вследствие небольшого теплообразо­вания и короткого времени соприкасания лишь с не­большой частью режущей кромки, тепловая нагрузка на режущую кромку не очень велика. Приваривания чугунной стружки, содержащей графит, к твердому сплаву под действием тепла и давления, т. е. наростооб – разования и лункообразования при высоких скоростях резания, как правило, не наблюдается. Однако чугунные стружка и деталь в большинстве случаев очень твер­ды и изнашивают инструмент путем истирания [87]. Кроме того, вследствие незначительного расширения чугуна общее давление резания концентрируется на очень малой поверхности лезвия; таким образом, возни­кающее местное давление может быть весьма значитель­ным и необходима большая прочность режущей кромки. Поэтому для обработки чугуна пригодны лишь очень твердые и достаточно вязкие с хорошей теплопровод­ностью твердые сплавы высокой износостойкости; этим требованиям и отвечают в первую очередь сплавы WC-Co.

О причинах износа твердых сплавов WC—Со суще­ствует несколько точек зрения. Согласно Давилю [88], твердые сплавы с содержанием Со менее 10% имеют связной карбидный скелет значительной прочности, за­полненный мягким и легкоплавким Со. Последний из­нашивается в первую очередь, карбидный скелет ослаб­ляется и начинает выкрашиваться в зависимости от его твердости и вязкости. Поскольку это явление носит, по-видимому, периодический характер, ширина площад­ки износа приобретает ступенчатую форму (каскадный износ). Согласно электронномикроскопическим исследо­ваниям Понса и его сотрудников [89], при абразивном износе на кристаллах WC появляются трещины, способ­ствующие их выкрашиванию.

Очень сильный износ по передней поверхности резца (WC—Со) при точении стали заставил Трента [36, 90] предположить, что здесь образуется жидкая фаза в виде тонкой пленки, которая быстро удаляется. С помощью экспериментов, аналогичных опытам Давиля [37, 38], автору удалось доказать, что между твердыми сплавами WC—Со и сталью при температуре 1300—1325° С обра­зуется жидкая фаза. Если в твердом сплаве присутству­ет TiC, температура повышается до 1350° С и выше. Не­сомненно, что в расплавлении поверхности важную роль играет и давление.

При обработке стали удельное сопротивление реза­нию в 2—3 раза выше, чем при обработке чугуна, и, следовательно, образуется значительно большее количе­ство тепла. Длинная сливная стружка сходит по перед­ней поверхности резца, причем поверхность соприкаса­ния с режущей кромкой большая и время относительно продолжительное. При этом стружка существенно де­формируется, что также способствует теплообразова­нию. Все эти факторы создают значительную термо­нагрузку на режущую кромку ( в отношении ее окалино – стойкости и жаропрочности), более высокую, чем при обработке чугуна.

При низких скоростях резания в результате высокой температуры, значительного давления и относительно продолжительного соприкасания стружки с режущей кромкой образуются наросты, приводящие вследствие их периодического отрыва к более или менее сильному выкрашиванию. По мере увеличения скорости резания это явление постепенно исчезает и начинает образовы­ваться лунка [91].

В связи с тем, что износ при обработке стали большей частью является следствием взаимодействия поверхно­стных сил между инструментом, стружкой и обрабаты­ваемой деталью (экспериментально это можно доказать опытами по Давилю путем определения «температуры приваривания» или прочности сварного шва), склонность к привариванию можно уменьшить при правильном вы­боре соответствующих легирующих добавок. Это замед­ляет образование нароста, лунки и износа по задней поверхности. Наилучшее действие оказывают добавки TiC и TaC и отчасти NbC, ZrC и HfC. Эти карбиды метал­лов образуют устойчивые и прочные окислы. Поэтому в на­стоящее время для обработки стали применяют твердые сплавы WC-TiC-Co и WC-TiC-TaC(NbC)-Co.

Причиной износа твердых сплавов WC—TiC—Со, так же как и сплавов WC—Со, является, по мнению Трента [36, 90], образование под действием температуры и дав­ления тонких пленок жидких фаз. Эти пленки быстро удаляются в результате механического воздействия. Различие между обеими марками твердого сплава со­стоит в том, что сплавы WC—TiC—Со образуют со сталью жидкую фазу лишь при температуре 1350° С и выше. Это подтверждено экспериментально опытами, аналогичными опытам Давиля, и объясняется характер­ным поведением WC—TiC-твердого раствора в подоб­ных марках твердого сплава. Если присутствует струк­турно свободный WC, то появляются более легкоплавкие фазы, как и в сплавах WC—-Со. Наблюдаемая зависи­мость износа по перед­ней поверхности от со­держания структурно свободного WC в твер­дых сплавах WC – TlC—Со подтвержда­ется и на практике. Замена карбида тита­на карбидами тантала, ниобия или гафния ни­чего не меняет.

По мнению Хинню – бера [92], наряду с ме­ханическим износом в результате истирания и приваривания зна­чительное влияние на износ оказывает окис­ление при высоких температурах. Как указывалось выше, ре­жущая кромка очень сильно нагревается при высоких скоростях резания материалов, дающих сливную

Во

50 40

30 20

1-Л

Г-”

>

\ >.

Vv \

З-‘

Ч—-

Л—–

—*————

I— \ 1

\

К

\

\ V

\\

Ч5

\

\

\

V-

30 TO 50 IOO 200 300 400500 Скорость резания г, м/мин

Рис. 82. Кривые стойкость — ско­рость резания для сплава L3 при резании стали CK 45 в различных атмосферах (передний угол Y= = +5°, угол наклона ^=+ 10°, задний угол а=+6°, сечение среза Axs=2×0,2 мм):

: ‘О

0,5

1 — азот; 2 — аргон; 3 — воздух; 4 — CO2;. 5 — кислород

Стружку. В этом слу­чае при температуре до 800° С у твердых сплавов WC—TiC—Со па воздухе в основном окисляются только кобальт и карбид вольфрама. При температурах выше 800° С начинается окисление твердо­го раствора, приводящее к повышенному износу по пе­редней поверхности. Действительно, при эксперименталь­ном точении в различных окисляющих и нейтральных атмосферах наблюдали определенное изменение стойко­сти (рис. 82) [71, 93—96].

Согласно исследованиям Хэенкампа [97, 98], вслед­ствие перепада температур между обрабатываемым ма­териалом п твердосплавным лезвием возникает термо­электрический ток, способствующий переносу материала и, следовательно, процессу износа. В результате термо­диффузии наблюдается довольно быстрый перенос уг­лерода, что приводит к обезуглероживанию за\ ней по­верхности резца и к образованию бедных по углероду фаз типа хрупкой т]-фазы.

Таким образом, при образовании сплава между об­рабатываемым материалом и твердым сплавом большую роль играют процессы диффузии. Вопросам диффузии между соприкасающимися парами пластинок WC (или твердый сплав) — сталь (или чугун) посвящены метал­лографические исследования Альтепверта [99]. При 800° С WC начинает взаимодействовать и при IOOO0C образуется двойной карбид. Карбиды же титана и тантала не реагируют до 1500° С. Диффузионный износ при реза­нии зависит от содержания углерода, причем это относит­ся как к растворению WC и диффундированию углерода в сталь, так и к диффундированию углерода из чугуна в твердый сплав. В результате такого разрыхления струк­туры твердого сплава создаются предпосылки для его из­носа. Наличие твердых растворов, содержащих TiC или TaC, не способствует растворению WC; их присутствие препятствует износу.

Опигц и его сотрудники [86] также установили, что окисные включения в сталях могут привести (вследствие раскисления сплавами кальций — кремний), к образова­нию препятствующего износу окисного слоя на токарных резцах с пластинами из твердого сплава, содержащего TiC. Таким образом, незначительные примеси в обраба­тываемом материале могут привести к разноречивым результатам при определении стойкости.

Процесс износа твердого сплава при резании являет­ся очень сложным. Большую роль при этом играют не только механические свойства режущего материала, по и химические реакции между ним и обрабатываемым ма­териалом. Многообразие обрабатываемых материалов и разнообразие операций по резанию требует большого дифференцирования химического состава и структуры твердых сплавов, что очень затрудняет международную стандартизацию и обозначение сплавов.

Факторы, влияющие на стойкость

Режимы резания. Кривые T—v, получаемые при опре­делении стойкости в зависимости от сечения среза, в системе двойных логарифмических координат представ­ляют собой ряд параллельных прямых (рис. 83). Мате­матически эти кривые соответствуют уравнению

¦tgp =

П

Alg T

TV^ С-

Где T — стойкость;

8090100 150 200 300 IOO 500600 Хкорость резаиия Hrl П/мин г

Рис. 83. Стойкость твердых сплавов при обработке стали S185 (кривые T—V)

SffiO50 70 WO 200 300 500 700 W Ю Спорости резания к, м/лин

V — скорость резания; п — тангенс угла наклона.

Рис. 84. Стойкость твердых сплавов при обработке алюми­ниевого сплава (/), стали St 80 (2) и Ge 22(3)

Величина п, определяющая наклон прямых, различна для разных материалов и колеблется от 4 до 15; при раз­личных видах обработки твердыми сплавами п составля­ет лишь 5—7 (рис. 84) [100].

На рис. 83 видно, как влияет скорость резания и се­чения среза на стойкость. При постоянном сечении сре­за повышение скорости резания сказывается иа сокра­щении стойкости. При постоянной скорости резания увеличение сечения среза сокращает стойкость. При дан­ной стойкости режущего лезвия каждой форме и каж­дому размеру среза соответствует совершенно опреде­ленная скорость резания, причем увеличение сечения среза требует лишь относительно небольшого снижения скорости резания, что имеет большое значение для эф­фективного резания.

Закономерность зависимости между скоростью ре­зания, сечением среза и стойкостью действительна, од­нако не для любой скорости резания и не для всякого сечения среза. При малых скоростях резания образуются наросты и ход кривой стойкости становится очень нерав­номерным. Для малых сечений среза также действитель­ны другие закономерности [101] (см. выше).

При скорости резания 150 м/мин и сечении среза IX 0,48 = 0,48 мм2 период стойкости составляет 200 мин\ при той же скорости резания и почти том же сечении сре­за 2X0,21=0,42 мм2 период стойкости равен 330 мин (см. рис. 83). Из этого следует важное для практической работы заключение, что при одинаковом сечении среза период стойкости тем больше, чем тоньше стружка, т. е. чем больше глубина резания и чем меньше подача [45]. Это можно объяснить тем, что при большей глубине ре­зания в работе находится большая длина режущей кром­ки, что способствует распределению тепла и трения на большей поверхности. Аналогичное влияние оказывают и другие мероприятия, способствующие удлинению ак­тивной части лезвия: уменьшение угла установки, увели­чение радиуса ‘закругления режущей кромки и т. д. По­этому при испытании на стойкость необходимо указы­вать не только площадь поперечного сечения, но и его форму. Зная «толщину дуги стружки» (термин введен Лайензеттером [5]), можно построить прямые т—vT (рис. 85). Из рис. 85 следует, что в случае тонкой струж­ки стойкость инструмента выше, чем в случае толстой стружки такого же сечения.

1000

20 40 6080100150200300 Скорость резания у, м/пин

Рис. 86. Стойкость твердых сплавов при резании стали: Sf 60 11

1—————- с охлаждением;

WC – Co

2 — то же. без

3 —

0.02

Охлаждения; с охлажде-

WC-TiC-Co нием; 4–то же, без охлажде­ния

В разделе о температуре резания указывалось, что тепловая нагрузка на лезвие при обработке стали зна­чительно больше, чем при обработке чугуна. Применяя охлаждение соответствующими жидкостями, можно по­высить производительность. В случае твердого сплава, который выдерживает существенно более высокую теп­ловую нагрузку, чем быстрорежущая сталь, это сказывается не столько на повышении скорости ре­зания, сколько на продлении периода стоикости до 200%- При этом охлаждающая жидкость оказывает не только охлаждающее действие, но и в качестве смазываю­щего вещества уменьшает трение. При обдирочном то­чении стали твердыми сплавами на мощных станках, когда тепловая нагрузка на лезвие находится на грани допустимой, охлаждение, особенно интенсивное, приво­дит к значительному повы­шению производительности [42, 48, 102—106] (рис. 86).

К о

– 0,5

0,3 \ 0,2

^ О-1

I 0,05 I 0,03

I

»

Ч J^

J

Ч

\

/

2

/

S

S

60 80 100 150 . 200 Скорость резания, м/мин

Рис. 85. Кривые m—vT для периодов стойкости 240 и 480 мин при обра­ботке стали St 85 твердыми спла­вами:

SiSS

1 — и,,0; 2 — Ulj80

Обрабатываемый материал и инструментальный ма­териал. Из изложенного следует, что при обработке раз­ных материалов одним и тем же режущим материалом положение прямых стойкости различно; это означает, что изнашивающее действие на режущий материал так­же должно быть различным. Особенно большое разли­чие наблюдается между чугуном, дающим стружку надлома, и сталью, дающей сливную стружку. Причины этого явления подробно изложены в разделах о струж – кообразовании и износе режущей кромки. Можно ска­зать только, что для обработки стали следует применять иные марки твердого сплава, чем для обработки чугу­на. Давиль [38] подробно исследовал эту проблему, обрабатывая сталь прочностью 55 кГ/мм2 твердыми сплавами WC-Co (95/5) и WC-TiC-Co (80/15/5). Его исследования применимы и для современных спла­вов WC—TiC—TaC(NbC)—Со. Кривые стойкости на рис. 87 показывают, что TiC-твердые сплавы значитель­но превосходят сплавы WC—Со (особенно в области вы-

5 Ю’ 2 5 т* 2 5 Скорость резония, п/пин

Рис. 87. Зависимость стойко­сти сплавов WC—Со и WCTiC—Со от скорости ре­зания при обработке стали (Стп = 55 кГ/мм2, подача 0,63 мм/об, глубина резания 2,0 мм):

/ — притупление; 2 — образование лунки; 3 — притупление и лункооб – разовапие; 4 — выкрашивание

2

К:

2

5 5

/ H

2^

Pqi

5 /О2 2

Спорость резон и я, п/мин

Рис. 88. Зависимость стойкости сплавов WC— СО и WCTiCCo от скорости резания при обработке чугуна (серый чугун, 200 HB, подача 0,77 мм/об, глубина ре­зания 2,0 мм):

J 10′

1 — притупление Gl; 2—вы­крашивание Sl

Соких скоростей резания). Износ по передней поверхности у сплавов WC—TiC—Со значительно ниже, чем у спла­вов WC—Со, так как TiC препятствует привариванию. Более высокая производительность сплавов WC—Со при низких скоростях резания объясняется тем, что у спла­вов WC—TiC—Со появляются наросты и выкрашивания. Кривая стойкости для сплавов WC—TiC—Со характери­зуется максимумом [40, 71, 72, 101, 108]. Согласно по­следним исследованиям Давиля и Альтмайера [107], это связано с эффектом залечивания в структуре режущего материала.

Зависимость стойкости твердого сплава обеих марок

I

«5

§

§

– — – щ

Д

«о оа

S

5"

§

I

^>

—§

, ———————————————

N

Ft:

.1

SN

J4

________ -—

« I

Sf

U-I .1..

I I .1» I

^ S ^ ^ t^ t^

,si Ci ^ ^

^ Q Sl Si N5 ‘

«sj ^ «<a

« 00 S И

D И <0 в ч Sg

St

CLJSJ

«Sg

V

1

C^Н ? о!5 ь ,H а а U Са н .OO O-SO IO ^ О

C^ CL

J3 О

S S^

2 O0

^ SN U RJ

I

Ч>

Лео

0

OU

3 I VO I

1 О

Cu iZ, A1 О ь

A K-5.

M c « ^ Д ИОРО OOlN

Я я й°

И T; д я

? с н в-

S и о «

Ь 2 «

И ~ о

I

I

=C Й о ^

R^ ^ О – ‘ CQ Я ^

VO Си

Fr­

T^ CSI СО

Ee

Е – к

S

О S

З:

Со

СО

В = о м

Сп

CU

Ж CU

D – Я: CL

Сч

Л

Га га

S-

О ж

О

Cl S

О

S

Я

Л

CU

CU

CU

Е-

Я

I

HtW тшпошо

При обработке чугуна твердостью по Бриннелю 200 кГ/мм2 приведена на рис. 88. Сплавы WC—TiC—Со плохо переносят большую механическую нагрузку и вы­крашиваются при низких скоростях резания. Сплавы WC—Со обладают более высокой прочностью, а следо­вательно, и значительно большей стойкостью при об­

Работке чугуна на низких и средних скоростях реза­ния.

Ведя дальнейшую разработку этих двух групп твер­дых сплавов для обработки чугуна и стали, исследователи обстоятельно изучили влияние различного состава и ус­ловий изготовления твердых сплавов на их стойкость. Рапатц, Поллак и Холцбергер [68] исследовали влияние содержания кобальта и карбида титана на стойкость сплавов WC—TiC—Со при обработке стали (рис. 89 и

90). Сравнивались также аналогичные марки твердых сплавов разных изготовителей [49, 109—112]. Необходи­мо отметить, что при оценке результатов исследования следует учитывать небольшое различие в составе и ус­ловиях изготовления, которое может оказаться решаю­щим. Большую роль играет также обрабатываемый ма – терал. Так, например, Шауман [113] при резании стали одинакового состава и одинаковых механических свойств

О

0,2

OA

V–80n/fiuH

1•—

3___

— —

16

4 в 12 Со, % (по пассе)

Г6

К*

P

3 0

S й * ^

Ji 3

Г

С – вОн/нин

И

Г ? IOH/сек-

S5j

____

2_

——–

3

.—- —–

4 S /2 Со, % (по Массе)

Рис. 92. Влияние TiC и TaC па стойкость сплавов в зависимо­сти от содержания кобальта. Обрабатываемый материал St 70.11; AXs = 2X0,46 мм2; A = 6°; Y=6°; х = 45°; T= 10 мин (при V = 10 м/мин износ по передней поверхности не опреде­ляли из-за сильного приваривания стружки): IWC; 2 —10% TaC + WC; 3-10%TiC + WC

Одним и тем же твердым сплавом получил разные ре­зультаты по стойкости.

Балльхаузен [49] обстоятельно исследовал влияние содержания Со в сплавах WC—Со и WC—TiC—Со на производительность резцов при точении. На рис. 91 при­ведена пространственная диаграмма скоростей резания указанных сплавов: после 10 мин резания стали проч­ностью 85 кГ/мм2 ширина площадки износа составляла 0,15 мм. Из рис. 91 следует, что титанокарбидные твер­дые сплавы превосходят сплавы WC—Со при обработке стали.

Боосс [114] установил прямую зависимость износа по задней поверхности от содержания Со и дефицита С у твердых сплавов с 5—30% TiC.

Продолжая работы Балльхаузена по систематизации, Бойтель с сотрудниками [69, 115, 116] подробно иссле­довал вопросы производительности резания (характери­зуемой величиной площадки износа и глубиной лунки) с точки зрения стандарта ISO. Из рис. 92 следует, что при обработке стали сплавы WC—TiC—Со и WC—TaC—Со превосходят по производительности сплавы, не содер-

Средняя т’срдость f/УЗС, Кг/нмг

Рис. 93. Взаимосвязь твердости, износостойкости и вязкости твердых сплавов группы применения Р; скорость резания ув=0,3 м/мин-, обрабатывае­мый материал Ск 60, 7"= 10 мин, ах-?=2х0,46 мм2; А = 6°, у=6°, х=45°, г= 1,5 мм-.

/ — повышение вязкости; 2 — повышение скорости реза­ния или износостойкости

Жащие TiC или TaC. Зависимость предела прочности при изгибе, твердости и скорости резания от состава группы применения P (см. стр. 57) приведена на рис. 93, причем особенно характерным является противополож­ность направлений увеличения скорости резания и из­носостойкости, а также твердости и вязкости. В соответ­ствии с историческим развитием режущих материалов твердые сплавы с точки зрения производительности ре­зания занимают среднее положение между быстрорежу­щими сталями и окисной керамикой, что подтверждает­ся исследованиями по резанию чугуна и стали (рис. 94).

В случае применения очень вязких, но менее износо­стойких твердых сплавов группы К (см. стр. 57), произ­водительность быстрорежущей стали при обработке чу-

500 400

% 300 %

%200 V

1100

Л?!

Itf

%

60 * 00 ^ 50 S 40

~5Ю

470

Ж

300

Серий чугуь

Сталь

Дц 103

Ш –

В M

20

W

Рис. 94. Износостойкость быстрорежущей стали, твердого сплава и режущей керамики (ширина площадки износа B = 0,2 мм; T= 10 мин)

Гуиа почти вплотную приближается к производитель­ности твердых сплавов. Окисная же керамика значитель­но превосходит по допускаемым скоростям резания да­же высокоизносостойкие твердые сплавы. Примечатель­но, что при резании чугуна режущая керамика превос­ходит сплавы группы Р, применяемые для обработки стали. Объясняется это также характером износа. Из­нос твердых сплавов при обработке чугуна на очень высоких скоростях резания обусловливается не столько истиранием, сколько явлениями диффузии и связанными с ней последствиями. В случае режущей керамики на­блюдается обратное. Несмотря на это окисная керамика не вытесняет твердые сплавы, а лишь дополняет их при определенных операциях резания.

Условия экономичного резания

При выборе скорости резания руководствуются, со­гласно Хиршфельду [11], двумя критериями: либо мак­симальной производительностью за единицу времени, либо минимальной общей стоимостью обработки. Учи – . тывая стоимость машинной работы (заработная плата, ( энергия, амортизация и т. д.) и общую стоимость замены инструмента (смена инструмента, стоимость заточки, расход инструмента), получают следующее: эффективная стойкость должна быть тем выше, чем дороже инстру­мент, чем больше времени требуется на замену и заточ­ку, чем выше доля заработной платы за заточку и чем ниже заработная плата рабочего-станочника.

При выборе наиболее экономичных условий резания [19, 27, 45, 92, 117—124] эффективная стойкость не мо­жет быть одинаковой для всех предприятий и цехов и даже для всех станков одного и того же цеха. Если для замены инструмента необходимо продолжительное время, как например, при работе на автоматах, то следует придавать большее значение стойкости инст­румента. Особое значение это имеет при сложных и точных работах, когда после каждой замены одного из инструментов иногда приходится проверять и вновь ус­танавливать все другие инструменты. Поэтому при ра­боте на автоматах стойкость инструмента должна быть, как правило, в 2—3 раза выше стойкости инструмента для работы на обычных токарных станках.

Твердые сплавы и металлорежущие станки

Поскольку твердые сплавы допускают значительно более высокие скорости резания при больших сечениях среза, они требуют более мощных станков. В табл. 55 приведены скорости резания и потребные мощности при обработке сталей различной прочности твердыми сплава­ми и быстрорежущей сталью. При обработке материа­лов высокой прочности твердыми сплавами допускаемая скорость резания возрастает относительно быстрее, чем увеличивается потребная мощность. Данные о скоро­стях резания стали St 70.11 в зависимости от глубины резания и подачи приведены в табл. 56. Повышение скорости резания особенно велико при малых подачах

Скорость резания [у24о) при обработке стали St 70.11 твердыми сплавами и быстрорежущей сталью [125]

Средняя скорость резания и потребная мощность при обработке етапи [а=2 мм, s = 0,5 мм/об\

Обр

)батываемая сталь

Показатели

Режущий материал

St 50.11

St 60.11

St 70.11

St 85

Скорость резания,

162

128

М/мин……………….

Твердый сплав

195

116

Быстрорежущая

26

21

15

13

Сталь

Увеличение скорости

Резания….

В 7,5

В 7,7

В 8,6

В 9

Потребляемая мощ­

Раза

Раза

Раза

Раза

Ность, кат….

Твердый сплав

7,6

7

6,4

6,3

Быстрорежущая

1,31

1,15

0,89

0,85

Сталь

В’6,1

Увеличение мощности

В 5,8

В 7,2

В 7,4

Раза

Раза

Раза

Раза

Таблица 56

Га

Режущий материал

Скорость резания (м/мин) при глубине резания, мм

<Ц «

У О R

Я?5 Я

П!

0,5

1

2

4

8

S «

Г1 я о О ж ал

0,1

Твердый сплав

310

300

285

В 9,5

0,16

Быстрорежущая сталь Твердый сплав

32,5 275

31,5 250

29,5 240

В 8,5

0,25

Быстрорежущая сталь Твердый сплав

32,5 260

30 225

28,5 200

185

Ра за В 7,5

0,5

Быстрорежущая сталь Твердый сплав

30,5

29 160

27,5 143

25 133

128

Раза В 6,0

1,0

Быстрорежущая сталь Твердый сплав

=

27

25 110

23 101

20 98

В 5,6

Быстрорежущая сталь

20,5

18

16

Раза

(чистовая обработка). Чем больше работа принимает характер обдирки (примерное сечение среза 2 мм2 и больше), тем относительно меньше повышается произ­водительность. Тем не менее мощность старых станков для обдирочных работ недостаточна для использования всех преимуществ твердых сплавов.

Сечение среза, ппг / 2 3 4 5 6 7

О 10 20 30 йо 50 60 Мощность, н6т

Рис. 95. Потребная мощность при то­чении стали

На рис. 95 приведен график потребной мощности для обработки стали прочностью 70 кГ/мм2 [11]. В то время, как для снятия стружки сечением 5 мм2 инструменталь­ной сталью требуется 5 кет, а быстрорежу­щей сталью — около 10 кет, при тех скоро­стях резания, которые допускают применение твердого сплава, необ­ходима мощность 20— 30 кет. При еще боль­шем сечении среза по­требная мощность еще выше и достигает 5— Ю-кратной величины. Так как мощность ста­рых обычных станков не превышает 5 кет, недостаток в мощности особенно ощутим при обдирочной и полуоб­дирочной обработке твердыми сплавами. В начальной стадии применения твердосплавных режущих инструментов сильно отставало развитие соответствующих мощных и устойчивых металлообрабатывающих станков. Лишь в последние годы начали строить специальные стаики, в частности обдирочные токарные, универсальные токар­ные, револьверные, сверлильно-расточные, фрезерные, строгальные, позволяющие полностью использовать пре­восходные режущие качества твердых сплавов [11, 126— 129]. Однако для новых высоковязких сплавов групп P 40 и P 50, заполняющих пробел между твердыми сплавами старых марок и быстрорежущей сталью, мощность и этих станков, согласно Кёльблю, недостаточна для об­дирки и строгания.

По мнению Хиршфельда [11], преимущества твердых сплавов при обработке резанием и их экономическое значение следующие:

1. Сокращение машинного времени (вре­мени резания). Вследствие высокой скорости резания и сокращения времени, необходимого для замены инст­румента и его переточки (более длинный период стой­кости), сокращается машинное время и увеличивается общее время работы инструмента.

2. Повышение производственной мощ­ности цеха. Даже при довольно старом станочном парке можно за одно и то же время и при одинаковом количестве станков увеличить выход готовой продукции примерно на 30%. Новые станки, сконструированные специально для резания твердыми сплавами, повышают производительность цеха в несколько раз.

3. Уменьшение расхода энергии. Расход энергии, используемой для снятия определенного коли­чества стружки, значительно ниже, чем при работе бы­строрежущей сталью.

4. Снижение расходов на приобретение и заточку инструментов. Твердосплавные ин­струменты имеют более продолжительный период стой­кости и срок службы; соответственно снижаются рас­ходы на заточку.

5. Улучшение качества изделий. В резуль­тате получения более гладкой поверхности и более точ­ных размеров изделий при резании твердыми сплавами значительно упрощается рабочий процесс (отпадает опе­рация шлифования) и достигается экономия средств.

6. Экономия ценных материалов. В весо­вой единице твердого сплава ценная составляющая — вольфрам используется значительно экономичнее, чем в быстрорежущей стали.