Отправить запрос

Факторы, влияющие на износ инструмента, и их оптимизация

В процессе обработки инструмент деформирует заготовку до тех пора, пока не начнет отделяться стружка в необходимом объеме. Деформационный процесс требует значительной энергии, и инструмент претерпевает различные нагрузки. Эти нагрузки приводят в конечном итоге к изнашиванию инструмента, а иногда и к его поломке. Таким образом, для эффективного процесса обработки, необходимо найти баланс между энергией для удаления металла, и возможностью инструмента надежно выдерживать нагрузки. Правильный подбор параметров резания, геометрии инструмента, используемых материалов, а также другие факторы позволяют добиться продуктивного и экономически эффективного процесса резки металла.

Механические нагрузки в токарных работах устойчивы, в то время как при фрезеровании они являются динамическими, постоянно меняются от небольших к высоким и обратно, поэтому нагрузки на инструмент еще более возрастают. Ниже рассмотрим виды нагрузок и способы их снижения.

Нагрузки, которые воздействуют на режущий инструмент, можно разделить на четыре категории: механические, термические, химические и трибологические (нагрузки под влиянием трения и сопротивления).

Механическое давление ускоряет износ инструмента и его поломку. Прерывистое резание производит ударные нагрузки, которые могут стать причиной скола или поломки инструмента. Тепловые нагрузки возникают из - за того, что деформируемый материал заготовки вырабатывает тепло, что приводит к повышению температуры в диапазоне 800-1000 градусов по Цельсию, и, как следствие, к деформации и притуплению инструмента. Сочетание тепла и давления также способствует химической реакции между материалами инструмента и заготовки, происходит диффузный износ – изменяется химический состав, а вместе с ним, и физико-химически свойства поверхности инструмента. В результате трения между инструментом и стружкой происходит абразивное изнашивание - разрушение контактных поверхностей инструмента, изменяется его геометрия, это трибологические нагрузки.

Четыре вида нагрузок воздействуют не по отдельности, а взаимодействуют, внося свой удельный вклад в общую сумму последствий. Характеристики станка, жесткость креплений, и даже навыки оператора влияют на конечный результат. Взаимодействие нагрузок в разных условиях может давать разные результаты, но все они в конечном итоге приводят к износу или поломкам инструмента.

Способность инструмента выдерживать нагрузки определяет его срок службы и предсказуемость. Для обеспечения максимального срока службы инструмента и технологической безопасности, обрабатывающие нагрузки в течение определенного промежутка времени должны быть ниже, чем стойкость инструмента. Помимо параметров обработки, с одной стороны, на этот процесс влияют характеристики самого инструмента, с другой, такие как геометрия режущего инструмента и режущий материал и покрытие.

В поисках эффективности и сокращения расходов, операторы стремятся сократить время, затрачиваемое на настройку оборудования, инструментов и собственно обработку. Однако, когда проблема с обработкой уже возникнет, время на ее решение все же придется найти. Время, затраченное на подбор соответствующей геометрии и параметров резания, в конечном итоге сокращает простой оборудования на диагностику и решение уже возникших проблем, что в конечном итоге оказывается эффективнее. Эти два пути – подбор параметров резания и геометрии, позволяют снизить негативные нагрузки на инструмент, и сделать процесс обработки предсказуемым еще до его начала.

При подборе режимов обработки необходимо учитывать зависимость всех параметров: глубина резания, подача и скорость, а также то, что, стойкость инструмента зависит от скорости резания нелинейно.

Как показывают исследования, переломные точки в кривой износа обусловлены характером и степенью преобладающего износа, а также характеристиками обрабатываемого материала. Сила резания не равнозначна механической нагрузке на инструмент, при расчете взаимного влияния параметров обработки друг на друга, необходимо принимать во внимание следующее:

  • Удвоение глубины резания удваивает силы резания, и также удваивает длину режущей кромки в разрезе. Это приводит к тому, что нагрузка остается неизменной на единицу длины режущей кромки.
  • Увеличение скорости подачи увеличивает силу резания, но в меньшей, не линейной, степени. Поскольку большая подача увеличивает толщину стружки, а не длину инструмента в разрезе, нагрузки на режущую кромку серьезно возрастают.
  • При увеличении скорости резания, сила резания в целом остается прежней, а потребляемая мощность возрастает.
  • Силы резания повышаются на более низких скоростях, и снижаются на более высоких. Необходимо внимательно следить за наростом, который может указывать на неприемлемую скорость резания.
  • Слишком высокая скорость резки может снизить надежность процесса за счет формирования неконтролируемой стружки, экстремального износа инструмента и вибрации, которые могут повредить инструмент.
  • С увеличением скорости, скорость изменение износостойких характеристик инструмента сначала уменьшается, затем увеличивается и вновь снижается. Такая нелинейная связь объясняется изменением интенсивности налипания частиц трущихся поверхностей - адгезионный износа, а затем переходом адгезионного износа в диффузионный.
  • Более высокие подача и глубина резания в сочетании с низкими или средними скоростями резания предлагают наилучший потенциал для обеспечения безопасной и надежной обработки. Более высокие скорости резания, если глубина резания и подачи являются достаточно низкими, чтобы ограничить силы резания, могут обеспечить наиболее высокую производительность.

Несомненно, повышение производительности резки металла требует внедрения более современных материалов режущего инструмента, таких как новые сорта карбида, покрытий, керамики и PCBN. Однако, материал инструмента – не единственное решение проблем. Действительно, если тяжелые механические нагрузки вызывают проблемы, такие как поломки инструмента, необходимо выбрать более жесткий материал режущего инструмента. Но если более жесткий материал просто не существует, то ситуация заходит в тупик. Роль геометрии инструмента в решении этих проблем является недооцененной. Изменение геометрии инструмента изменяет поток деформированного материала, при ожидаемых высоких механических нагрузках, более резкая геометрия может привести к снижению сил резания и свести к минимуму проблемы до их возникновения. Изменение потока стружки с помощью геометрии также может положительно изменить количество и влияние химических, термических и трибологических нагрузок.

Геометрия инструмента включает форму и размеры как пластины в целом, так и ее отдельных элементов. Такие характеристики режущей пластины как основной размер и форма, определяют ее прочность. Режущие силы, действующие на большую пластину, приводят к более легким нагрузкам, чем те же силы на меньшей пластине. Большая, прочная пластина позволяет использовать высокую подачу и глубину резания. Тем не менее, большая пластина не всегда может обрабатывать мелкие части детали. Аналогичные соображения существуют в отношении формы пластины. Круглая форма является самой прочной, и угол в 90 градусов квадратной пластины крепче, чем угол в 35 градусов ромбической пластины. Тем не менее, круглая пластина не может нарезать такое же разнообразие профилей деталей как пластина с углом 35 градусов. Кроме того, геометрия определяет то, как инструмент входит в заготовку, что определяется углом режущей кромки, углом наклона и передним углом. Если верхняя поверхность пластины перпендикулярна к рабочей поверхности, пластина считается негативной. Когда передний край наклонен назад от поверхности заготовки, угол наклона считается положительным. Негативные пластины производят более высокие усилия резания и эффективны при обработке жестких материалов, таких как сталь, чугун. Положительные пластины производят меньшие усилия резания, при этом массивность режущего клина снижается, инструмент более восприимчив к сколам и переломам. Положительные пластины ¬имеют острую режущую кромку и их чаще используют при обработке вязких материалов.

При выборе геометрии стружколома, руководствуются характеритиками обрабатываемого материала. Геометрия стружколома включает в себя следующие составляющие: профиль режущей кромки, фаска – позитивная или негативная, и геометрию канавки для отвода стружки, которая может быть открытой или закрытой.

Каждый компонент геометрии обладает своими особенностями и оказывает свое влияние на процесс обработки. Так, например, для обработки стали требуется прочная кромка, для вязких материалов - более эффективной будет острая кромка. Позитивную фаску возможно применять на повышенных скоростях резания, однако она больше способствует износу пластины, в то время как негативная, плоская, фаска защищает пластину, но увеличивает силы резания. Открытая геометрия стружколома позволяет снизить механическую нагрузку, в то время как закрытый профиль производит более короткую стружку, но механическая нагрузка в этом случае будет высокой даже при небольших силах резания.
С учетом всех этих составляющих, производители стремятся создавать инструмент с различными конфигурациями геометрий для оптимального сочетания в каждом виде обработки. Так, например, компания Seco предлагает стружколом М6, который занимает промежуточное положение среди других стружколомов M5 и MR7, и имеет следующие характеристики: двусторонние пластины различных форм с позитивным передним углом, широкой позитивной фаской и открытой канавкой, данный инструмент рекомендуется для обработки деталей: валы, втулки, колеса, шестерни, детали насосов, и др. Другой стружколом Seco, FF2, имеет очень узкую стружечную канавку, что позволяет закручивать стружку, такой стружколом подходит для обработки вязких материалов.

При фрезеровании механические нагрузки на инструмент постоянно изменяются – от нуля до максимальных. Важное значение в определении нагрузок на зубья фрезы имеет положение инструмента на входе и выходе из заготовки. Различают попутное фрезерование – когда фреза движется в направлении подачи, и встречное. Чаще всего применяется попутное фрезерование, так как оно способствуют меньшему трению, и большая толщина стружки, чем при встречном фрезеровании, способствует отводу тепла. Однако, в некоторых случаях, предпочтительно встречное фрезерование. Также важное значение имеет угол выхода – при угле от – 300 до 300 вероятность поломки кромки выше, так как в этом диапазоне ширина рабочей области достигает половины диаметра фрезы.

Толщина стружки также оказывает существенное влияние на износ инструмента: слишком толстая стружка создает повышенную нагрузку, при слишком тонкой – повышается отрицательное воздействие сил трения. При фрезеровании, при входе и выходе фрезы, толщина стружки постоянно изменяется, поэтому используется понятие средней толщины стружки. Необходимо определить такие скорости подачи, которые обеспечат стабильную среднюю толщину стружки.

Другим важным фактором, оказывающим нагрузку на инструмент и его износ, является тепло. Количество выделяемого тепла зависит от различных факторов. Чем ниже теплопроводность заготовки, тем большее количество тепла приходится на инструмент. Теплота вырабатывается в трех основных точках: в зоне сдвига стружки, в месте контакта стружки с поверхностью инструмента, на задней грани инструмента в точке контакта с заготовкой, при этом максимальная температура образуется в месте контакта стружки с передней поверхностью инструмента. Тепловыделение повышается с увеличением скорости обработки. При этом необходимо учитывать, что при повышении скорости, температура возрастает в большей степени, чем при повышении подачи, что связано с характером изменения стружки. И еще меньшее значение на температуру оказывает глубина обработки, поскольку возрастает длина рабочей и режущей кромки, и усиливается теплоотвод. Цветные металлы отличаются большей теплопроводностью, и соответственно, температура резания не такая высокая, как при обработке сталей и жаропрочных сплавов, у которых теплопроводность ниже. При обработке хрупких материалов, таких как чугун, требуются меньшие силы резания, поэтому и температура резки будет ниже. При фрезеровании различные виды обработки характеризуются разной степенью теплового воздействия на инструмент, в зависимости от того, сколько времени режущие кромки взаимодействуют с заготовкой. Так, например, при боковом фрезеровании, тепловое воздействие будет ниже, чем при обработке пазов.

Для снижения воздействия тепла, применяются различные способы. Один из них – повышение скорости резания при уменьшении площади контакта зубьев фрезы с заготовкой. С другой стороны, сокращение скорости приводит к снижению теплообразования, и при необходимости, таким образом можно понизить слишком высокую температуру.

Другой способ для снижения температуры – подача смазочно-охлаждающей жидкости. При этом износ инструмента уменьшается не только за счет охлаждения, но и за счет уменьшения трения. Однако, в условиях высоких температур и давления, часто СОЖ не приносит значительного эффекта.

Существуют различные методы контроля износа инструмента. Различают прямые методы с непосредственным измерением параметров износа, и косвенные, которые позволяют с помощью различных датчиков определять степень износа в производственных условиях. Затупленный инструмент повышает силы резания и ухудшает качество обработки, что в конечном итоге увеличивает износ еще больше, от степени затупленности зависит то, какое количество металла придется удалять при перезаточке. Наладчики, должны определить точку износа, когда переточка будет максимально экономически эффективна, либо необходимо произвести замену инструмента.

Невозможно избежать износа инструмента полностью. Однако путем подбора оптимальных параметров обработки, можно добиться максимальной продолжительности его работы и предсказуемости, и как следствие, экономической эффективности в целом.