Трения, износ и стойкость инструмента. Влияние вибраций на качество обработки

Введение

Эффективное применение металлорежущего инструмента и оборудования, потребность в надежном обеспечении непрерывности технологического процесса предъявляют высокие требования не только к качеству режущего инструмента и рекомендаций по режимам резания, но и к способности быстрой диагностики состояния режущего инструмента в ходе резания. Для широкого применения рекомендаций по оптимизации процессов резания в производстве требуется не только иметь сведения о воздействии составляющих режима резания на основные показатели размерной стойкости, однако и обладать способностью принимать во внимание в режиме реального времени базовые факторы, которые определяют интенсивность износа режущего инструмента. Таким образом, актуальность данной темы работы очевидна
Целью работы является изучение особенностей трения, износ и стойкость инструмента, а также влияние вибраций на качество обработки.
Исходя из поставленной цели, можно определить следующие задачи:
• охарактеризовать особенности трения и стойкость к нему инструмента;
• выявить степень износа инструмента;
• рассмотреть воздействие вибраций на качество обработки.
Методологическую основу исследования составляют диалектический научный метод познания, предполагающий объективный, всесторонний анализ фактического материала, системный подход и средства анализа и синтеза и др.
В качестве информационной базы работы явились учебная и научная литература, нормативные документы, интернет-ресурсы.
Структура работы содержит введение, три части, заключение и список использованных источников.
В первой части описаны особенности трения и стойкость к нему инструмента.
Вторая часть включает характеристику степени износа инструмента.
Третья часть содержит специфику воздействия вибраций на качество обработки.


1. Особенности трения и стойкость к нему инструмента

Под трением рассматривают внешнее трение  или явление сопротивления, которое относительно перемещению, образующемуся между двумя телами в местах соприкосновения по касательным к ним. В итоге чего и образуется изнашивание, представляющее собой процесс отделения материала с поверхности твердого тела и (или) роста его остаточной деформации, выражающееся в последовательном изменении размеров и (или) формы тела1.
Трение между стружкой и передней поверхностью инструмента и между его основной задней поверхностью и поверхностью резания заготовки формирует износ режущего инструмента.
В тоже время явление трения может вызывать как негативное так положительное воздействие на показатели при применении. Таким образом, различают три разновидности узлов трения. Первая пара трения представляет собой трение, вызывающее только негативное влияние и необходимо применение минимально возможного коэффициента скольжения в подобном случае. Такой ситуации между телами появляется трение скольжения. Во втором случае требуется одновременно использование высокого коэффициента трения с малым износом трущихся элементов. В этой ситуации отмечается не только положительное, но и отрицательное воздействие сил трения на показатели эксплуатации материалов. В третью группу входят узлы трения, где нужен максимальный коэффициент трения. Здесь отмечаются все пары трения, в которых внешнее трение применяется для предотвращения относительного перемещении2.
Под стойкостью инструмента Т подразумевают суммарное время (мин) его деятельности между переточками на конкретном режиме резания. Стойкость токарных резцов, режущая часть которых произведена из разных инструментальных материалов, равна 30 – 90 мин.
Стойкость инструмента находится в зависимости от физико-механических свойств материала инструмента и заготовки, режима резания, геометрии инструмента и условий обработки. Значительное воздействие на стойкость влияет скорость резания.
Между величинами V и T действует зависимость, формула (1):

   const или V  C / ,

где С – постоянная величина; m – показатель относительной стойкости инструмента (для резцов m=0,1 – 0,3)3.
Поскольку величина m мала, тогда стойкость резцов стремительно уменьшается даже при несущественном росте скорости резания. В связи с этим обработку необходимо осуществлять на расчетной скорости. Это условие просто осуществить на станках с бесступенчатым регулированием частоты вращения шпинделя.
На станках со ступенчатым регулированием частоты вращения шпинделя обработку выполняют на ближайшей меньшей к расчетной частоте вращения заготовки. В этой ситуации при небольшом сокращении скорости резания стойкость инструмента станет выше принятой. Это сократит время на смену затупившегося инструмента, однако, обычно, не уменьшит производительность4.
Таким образом, трение оказывает значительное влияние на работу инструмента. При этом происходит воздействие на стойкость инструмента, под действие различных материалов.
2.Понятие степени износа инструмента

Под износостойкостью материала подразумевают  возможность материала обладать сопротивление относительно износа в некоторых условиях трения5. 
Имеется большое число классификаций износа, теорий и концепций о механизме разрушения при трении (износ и создание частиц износа), расчетных моделей

. Также присутствует много методик установления износа и износостойкости6. 
Износостойкость  — это способность деталей, обладать сопротивлением к истиранию их поверхностей, переменам в размерах и форме. Износ деталей оборудования при трении их рабочих поверхностей обладает довольно непростым характером. Поверхности, имеющие наивысший уровень класса качества обработки, как правило, содержат микроскопические выступы и впадины7.
В ходе резания под влиянием высоких контактных давлений и температур систематически осуществляется износ режущего клина инструмента, в результате чего происходит его затупление или разрушение.
Скорость износа формируется свойствами инструментального материала и конструкцией инструмента.
В качестве причин износа режущего инструмента могут действовать:
• трение стружки переднюю поверхность инструмента;
• трение задней поверхности инструмента об обработанную поверхность;
• высокие температуры резания;
• высокие контактные нагрузки;
• малая площадь контакта.
В роли технологических критериев затупления действуют:
• рост шероховатости обработанной поверхности, который обусловлен износом инструмента;
• уменьшение размера детали при чистовой обработке;
• возникновение «свиста»;
• возникновение вибраций;
• поломка мелкоразмерного инструмента и т.п8.
Виды износа:
• абразивный (механический) представляет собой трение твердых образований инструментального обрабатываемого материалов (упрочненные частицы нароста) о переднюю и заднюю поверхности инструмента;
• адгезионный возникает как следствие влияния сил адгезии, межмолекулярного взаимодействия ювенильных свежеобразованных поверхностей стружки и заготовки при их взаимодействии с поверхностями инструмента в ходе совместного трения;
• диффузионный образуется как итог взаимного переноса (диффузии) атомов, взаимодействующих инструментального и обрабатываемого материалов. Скорость диффузионных процессов формируется температурой резания. Диффузия видна при температуре резания свыше 800…900С, иными словами в сфере использования твердых сплавов и СТМ;
• химический (окислительный) - окисление трущихся слоев (большая проникающая способность кислорода). Формирующиеся окисные пленки довольно хрупки, в связи с этим просто разрушаются (нижеследующие слои). Окислительное изнашивание наступает обычно при температуре резания, равной 700…900С;
• пластическая деформация является следствием образования напряжения, которое имеет максимальное значение на режущей кромке или возле нее. При слишком высоком напряжении осуществляется изменение режущей кромки9.
Работоспособность инструментального и иных материалов, как правило, формируется свойствами поверхностных слоев, которые возможно трансформировать посредствам их легирования при помощи использования химико-термической обработки (ХТО), а кроме того, применением необходимых покрытий методами химического и физического осаждения. В связи с этим в сегодня главным направлением, которое обеспечивает рост работоспособности инструмента, считается развитие и использование указанных технологий10.
Изучим общий характер износа режущего инструмента на примере токарного резца (рисунок 1, а).


Рисунок 1 - Износ резца (а) и изменение размеров резца и заготовки в результате износа (б)11

При износе резца на передней поверхности формируется лунка шириной b, а на основной задней поверхности – ленточка шириной h. У инструментов, которые имеют различные материалов изготовления и при различных режимах резания доминирует износ передней или основной задней поверхности. При единовременном износе по указанным поверхностям формируется перемычка f.
Износ резца по основной задней поверхности в ходе обработки трансформирует глубину резания, поскольку сокращается вылет резца на значение равное u=l – lu (рис..1, б). Значение износа резца пропорционально времени обработки, в связи с этим в процессе роста значения и глубина резания t сокращается. Обработанная поверхность формируется конусообразной с наибольшим диаметром Du и наименьшим D.
Количественное значение допустимого значения износа носит название критерий износа. В качестве критерия износа используют по большей части износ инструмента по основной задней поверхности h. Для токарных резцов из быстрорежущей стали допустимый износ h = 1,5 – 2 мм, для резцов с пластинками твердого сплава h = 0,8 – 1 мм; с минералокерамическими пластинками h = 0,5 – 0,8 мм. Допустимому износу инструмента отвечает конкретная его стойкость12.
Износ инструмента становится причиной не только уменьшения точности размеров и геометрической формы обработанных поверхностей