Физическая природа изнашивания инструмента

Основное качество режущего инструмента — это способность сохранять режущую кромку острой в течение определенного периода резания. Затупление режущего инструмента происходит в результате молекулярно-термических процессов и механического изнашивания его граней и режущей кромки в процессе резания.

Различают следующие виды изнашивания.

Механическое изнашивание — царапанье инструмента твердыми частицами стружки и частицами твердого нароста, карбидными и другими включениями, имеющимися в обрабатываемом материале. Такой вид изнашивания часто называют абразивно-механическим.

Под влиянием высоких давлений и температур, достигающих на отдельных участках контакта больших величин, на трущихся поверхностях образуются тончайшие слои оксидов. Эти оксидные пленки оказывают значительное влияние на характер изнашивания: при прочном соединении с телом они предохраняют трущиеся поверхности от непосредственного контакта и тем самым уменьшают изнашивание; при слабом соединении оксиды срываются в виде аморфной пыли, усиливают трение и изнашивание трущихся поверхностей. Поэтому истирающую способность материала определяют не только его физико-механические свойства, но и структура материала. Истирающая способность углеродистых сталей возрастает с увеличением содержания углерода, а легированных сталей — с увеличением карбидообразующих элементов (вольфрам, молибден, хром, ванадий, марганец). С увеличением твердости углеродистой стали ее истирающие способности увеличиваются, однако этого нельзя сказать о легированных сталях.

Адгезионное изнашивание — вырывание частиц на переднюю поверхность инструмента вследствие схватывания контактных поверхностей стружки и инструмента. Контактные поверхности стружки и передней поверхности инструмента не идеально гладкие, и соприкосновение между ними происходит по выступающим участкам. Это вызывает огромную удельную нагрузку, которая разрушает защитные оксидные пленки. Происходит холодная свариваемость металла стружки и инструмента в местах истинного контакта, что более вероятно при относительно высокой температуре, которая способствует местной пластической деформации и разрушает защитные пленки.

Стружка непрерывно движется по поверхности инструмента, и в местах контакта возникает напряжение среза. В результате на передней поверхности инструмента вырываются мельчайшие частицы.

Возможность отрыва мягким обрабатываемым материалом частиц более твердого инструмента объясняется неоднородностью инструментального материала, который имеет на поверхности размягченные микроучастки, и изменением соотношения твердостей обрабатываемого и инструментального материалов.

Диффузионное изнашивание — растворение материала инструмента в обрабатываемом материале — происходит при относительно больших скоростях резания и температурах. Высокая температура, большие пластические деформации и схватывание контакта способствуют возникновению диффузионного раствора металла и заготовки. При этом происходят диффузии отдельных элементов соединения (углерод, вольфрам, титан, кобальт), входящих в состав материала, а не молекул химического соединения.

Согласно параболическому закону роста диффузионного слоя скорость растворения наиболее высока в начальный период диффузии. В процессе резания время контакта стружки, поверхности резания и резца составляет сотые или тысячные доли секунды и, следовательно, в контакт с режущим инструментом непрерывно входят все новые участки обрабатываемого материала. Это и создает условия для периода усиленной начальной диффузии, что существенно влияет на интенсивность изнашивания инструмента.

Опыты показали, что заметная диффузия углерода и вольфрама из карбида вольфрама в железо начинается при температуре около 950 °C, при цементации железа карбидом титана — при температуре 1050 °C. Поэтому диффузионное изнашивание твердосплавного инструмента может происходить лишь при обработке стали с высокими скоростями резания, когда температура контакта стружки или поверхности резания и резца достигает 900 °C и выше для однокарбидных и 1000 °C для двухкарбидных твердых сплавов. Режущая керамика (А1₂0₃) характеризуется химической инертностью, поэтому инструмент из режущей керамики не подвергается диффузионному изнашиванию и, следовательно, способен работать при высоких скоростях резания в условиях высокой температуры резания.

Окислительное изнашивание. В пространство между контактной поверхностью режущей кромки, с одной стороны, и опорной поверхностью срезаемой стружки и поверхностью резания — с другой, проникает газовая или жидкая среда. Если эта газовая среда — воздух, то кислород воздуха непрерывно окисляет тонкий поверхностный слой инструментального материала. Поскольку оксиды менее прочны, чем исходный металл, тонкий слой оксидов на поверхности инструмента разрушается силами трения и удаляется в виде продуктов изнашивания. Поэтому для повышения износостойкости целесообразно исключить попадание воздуха между контактными поверхностями обдувкой зоны резания струей защитных газов, таких как азот или аргон.