Содержание статьи
Введение в проблему износа фрез
Износ режущего инструмента является одной из ключевых проблем современного машиностроения, напрямую влияющей на производительность, качество обработки и экономическую эффективность производства. При фрезеровании инструмент подвергается воздействию высоких температур (до 1000°C), значительных механических нагрузок и химически активных сред, что приводит к различным видам износа.
| Вид износа | Температурный диапазон, °C | Основные причины | Доля в общем износе, % |
|---|---|---|---|
| Абразивный | 200-600 | Твердые включения, стружка | 25-40 |
| Адгезионный | 400-800 | Схватывание материалов | 20-35 |
| Окислительный | 600-900 | Реакция с кислородом | 15-25 |
| Диффузионный | 800-1200 | Массоперенос атомов | 10-20 |
1. Абразивный износ
Абразивный износ представляет собой механическое разрушение поверхностей инструмента под воздействием твердых частиц. Этот тип износа особенно характерен при обработке материалов с высокой твердостью или содержащих абразивные включения.
Механизм абразивного износа
Сущность абразивного износа заключается в разрушении материала инструмента твердыми частицами при пластическом деформировании и микрорезании контактных поверхностей. Твердые включения (карбиды, нитриды, оксиды) действуют как микрорезцы, царапая и деформируя режущую кромку.
Пример расчета абразивного износа
При фрезеровании чугуна СЧ20 с твердостью 200 HB фрезой из быстрорежущей стали P6M5:
Исходные данные:
- Скорость резания v = 25 м/мин
- Подача sz = 0,15 мм/зуб
- Глубина фрезерования t = 3 мм
Расчет интенсивности износа:
Объемная интенсивность износа: I = k × (v × sz × t)^n
где k = 2,5×10^-8 (коэффициент для данных условий), n = 1,2
I = 2,5×10^-8 × (25 × 0,15 × 3)^1,2 = 2,5×10^-8 × 11,25^1,2 = 3,8×10^-7 мм³/мм пути
Методы защиты от абразивного износа
| Метод защиты | Увеличение стойкости | Стоимость реализации | Область применения |
|---|---|---|---|
| Покрытие TiN | 2-3 раза | Средняя | Универсальное применение |
| Покрытие TiAlN | 3-5 раз | Высокая | Высокоскоростная обработка |
| Твердосплавные пластины | 5-8 раз | Очень высокая | Тяжелые режимы резания |
| Оптимизация режимов | 1,5-2 раза | Низкая | Любые условия |
2. Адгезионный износ
Адгезионный износ возникает в результате схватывания и взаимного перенесения материала между контактирующими поверхностями инструмента и заготовки. Этот процесс развивается при высоких контактных давлениях и температурах.
Физическая природа адгезионного износа
В местах с критическими нагрузками происходит пластическая деформация металла в точках контакта, что приводит к сближению поверхностей и активизации сил межатомного взаимодействия. Образуются так называемые "мостики схватывания", при разрушении которых частицы металла отрываются и уносятся со стружкой.
Расчет критического давления для адгезии
Критическое давление, при котором начинается адгезионное взаимодействие:
P_кр = σ_т × (1 + μ × tg α)
где σ_т - предел текучести материала заготовки, МПа
μ - коэффициент трения (0,3-0,8)
α - передний угол фрезы, градусы
Для стали 45 (σ_т = 360 МПа, α = 15°, μ = 0,5):
P_кр = 360 × (1 + 0,5 × tg 15°) = 360 × 1,134 = 408 МПа
Факторы, влияющие на адгезионный износ
Интенсивность адгезионного износа значительно возрастает при следующих условиях: обработка на пониженных скоростях резания (менее 15-20 м/мин), высокая шероховатость контактирующих поверхностей (Ra > 1,6 мкм), отсутствие или недостаточное количество смазочно-охлаждающей жидкости, обработка материалов склонных к налипанию (алюминиевые сплавы, медь, аустенитные стали).
3. Окислительный износ
Окислительный износ представляет собой процесс химического разрушения поверхности инструмента в результате взаимодействия с кислородом воздуха или окислительными компонентами смазочно-охлаждающих жидкостей при повышенных температурах.
Кинетика окислительного процесса
Процесс окисления протекает по параболическому закону и описывается уравнением Вагнера. На поверхности инструмента образуются оксидные пленки, которые при достижении критической толщины разрушаются под действием механических нагрузок.
Расчет скорости окисления быстрорежущей стали
Скорость роста оксидной пленки на стали P6M5 при температуре 600°C:
x² = k × t × exp(-Q/RT)
где x - толщина пленки, мкм
k = 1,2×10^-3 мкм²/с (константа скорости)
Q = 180 кДж/моль (энергия активации)
R = 8,314 Дж/(моль×К)
T = 873 К, t = 3600 с (1 час)
x² = 1,2×10^-3 × 3600 × exp(-180000/(8,314×873)) = 4,32 × 0,00034 = 0,00147
x = 0,038 мкм за 1 час работы
4. Диффузионный износ
Диффузионный износ обусловлен взаимной диффузией атомов материала инструмента и заготовки при высоких температурах контакта. Этот вид износа особенно характерен для твердосплавного инструмента при высокоскоростной обработке.
Механизм диффузионного износа
При температурах выше 800°C происходит интенсивная диффузия углерода из твердого сплава в сталь и диффузия железа в противоположном направлении. Это приводит к обезуглероживанию поверхностных слоев твердого сплава и снижению их твердости.
| Материал инструмента | Критическая температура, °C | Коэффициент диффузии C, м²/с | Глубина диффузии за 1 час, мкм |
|---|---|---|---|
| ВК8 | 800 | 2,1×10^-12 | 2,7 |
| Т15К6 | 850 | 1,8×10^-12 | 2,5 |
| ТТ7К12 | 900 | 1,5×10^-12 | 2,3 |
5. Механический износ
Механический износ включает в себя выкрашивание режущих кромок, образование сколов и трещин под воздействием ударных нагрузок. Этот вид износа особенно характерен для прерывистого резания и обработки материалов с неоднородной структурой.
Виды механического разрушения
Выкрашивание представляет собой отделение мелких частиц от режущей кромки вследствие превышения предела прочности материала. Сколы образуются при ударных нагрузках, превышающих ударную вязкость инструментального материала. Трещины развиваются по механизму усталостного разрушения при циклических нагрузках.
Расчет ударной нагрузки при прерывистом фрезеровании
Максимальная ударная сила при врезании зуба фрезы:
F_уд = k × sz × t × √(v/100)
где k = 2500 Н/мм² (для стали 45)
sz = 0,2 мм/зуб, t = 5 мм, v = 80 м/мин
F_уд = 2500 × 0,2 × 5 × √(80/100) = 2500 × 0,894 = 2235 Н
6. Термический износ
Термический износ связан с изменением структуры и свойств инструментального материала под воздействием высоких температур. При превышении критических температур происходит снижение твердости, разупрочнение и термическое растрескивание.
Температурные пределы инструментальных материалов
| Материал | Красностойкость, °C | Снижение твердости при 600°C, % | Коэффициент термического расширения, 10^-6/К |
|---|---|---|---|
| P6M5 | 620 | 15-20 | 11,5 |
| ВК8 | 900 | 5-8 | 5,2 |
| TiAlN покрытие | 1100 | 2-3 | 7,8 |
| Керамика Al2O3 | 1300 | 1-2 | 8,1 |
7. Усталостный износ
Усталостный износ развивается в результате циклического нагружения режущих кромок при прерывистом характере фрезерования. Каждый зуб фрезы периодически входит в контакт с заготовкой и выходит из него, что создает переменные напряжения.
Расчет долговечности по усталости
Число циклов до разрушения определяется по формуле Веллера:
N = (σ_-1 / σ_max)^m × N_0
где σ_-1 - предел выносливости материала
σ_max - максимальное напряжение цикла
m - показатель наклона кривой усталости (6-12)
N_0 - базовое число циклов (10^6-10^7)
Для твердого сплава ВК8:
σ_-1 = 600 МПа, σ_max = 800 МПа, m = 8, N_0 = 2×10^6
N = (600/800)^8 × 2×10^6 = 0,75^8 × 2×10^6 = 0,1 × 2×10^6 = 200 000 циклов
Комплексные методы защиты от износа
Современные покрытия для фрез
Износостойкие покрытия являются одним из наиболее эффективных способов продления стойкости инструмента. Современные многослойные покрытия обеспечивают комплексную защиту от различных видов износа.
| Тип покрытия | Твердость, HV | Температура эксплуатации, °C | Увеличение стойкости | Стоимость, % от базовой |
|---|---|---|---|---|
| TiN | 2400 | до 600 | 2-3 раза | +15% |
| TiAlN | 3200 | до 900 | 3-5 раз | +35% |
| AlCrN | 3000 | до 1100 | 4-6 раз | +45% |
| TiAlCrSiN | 3500 | до 1200 | 5-8 раз | +70% |
| DLC (алмазоподобное) | 2000-5000 | до 400 | 3-4 раза | +80% |
| CrN | 1800 | до 700 | 2-3 раза | +25% |
Оптимизация режимов резания
Правильный выбор скорости резания, подачи и глубины фрезерования позволяет минимизировать различные виды износа. Каждый тип износа имеет свои оптимальные режимы работы.
Практический пример оптимизации режимов
При фрезеровании стали 40Х торцовой фрезой Ø80 мм с покрытием TiAlN:
Базовые режимы: v = 120 м/мин, sz = 0,15 мм/зуб, t = 2 мм
Оптимизированные режимы: v = 180 м/мин, sz = 0,12 мм/зуб, t = 1,5 мм
Результат: стойкость увеличилась с 45 до 95 минут (в 2,1 раза)
Применение современных СОЖ
Смазочно-охлаждающие жидкости играют ключевую роль в снижении износа фрез. Современные синтетические и полусинтетические СОЖ обеспечивают эффективное охлаждение, смазку и удаление стружки из зоны резания.
| Тип СОЖ | Концентрация, % | Снижение температуры, °C | Увеличение стойкости | Область применения |
|---|---|---|---|---|
| Эмульсия ЭТ-2 | 3-5 | 150-200 | 1,5-2 раза | Универсальная обработка |
| Полусинтетическая | 5-8 | 200-250 | 2-3 раза | Скоростная обработка |
| Синтетическая | 8-12 | 250-300 | 3-4 раза | Высокоточная обработка |
| Масляная | 100 | 50-100 | 1,2-1,5 раза | Тяжелые режимы |
Часто задаваемые вопросы
Источники информации
При подготовке статьи использованались материалы:
1. ГОСТ 32267-2013 "Жидкости смазочно-охлаждающие. Метод определения активной серы"
2. ТУ 0258-016-34344113-2014 "Технические условия на современные СОЖ"
3. Научные публикации МГТУ им. Н.Э. Баумана по теории резания металлов (2023-2025)
4. Техническая документация ведущих производителей: Sandvik, Kennametal, ISCAR (2024-2025)
5. Современные исследования в области наноструктурных покрытий (2024-2025 гг.)
6. Стандарты ISO 3685:2023 "Tool-life testing with single-point turning tools"
7. Актуальные технические решения по мониторингу износа инструмента (2024-2025)
