Одной из важнейших задач теории резания металлов является теоретическое описание процессов износа инструмента и установление зависимости износа от технологических параметров обработки. Но любому теоретическому исследованию предшествует накопление, анализ известных экспериментальных фактов и разработку концептуальной модели.

Исследования, проводимые в течение прошлого столетия, дали основные представления о факторах, влияющих на износ инструмента и о существующих его видах. Износ обуславливается химическим, температурным и силовым факторами, которые всегда действуют одновременно и взаимно влияют друг на друга.

Различают три основных вида износа: абразивный, адгезионный и диффузионый. Для инструментов из твердого сплава основными являются диффузионный и адгезионный виды износа. Вследствие большой твердости карбидов, входящих в состав твердых сплавов, абразивный износ при обработке твердосплавными инструментами не имеет существенного значения [1].

Согласно имеющимся результатам экспериментальных исследований, при работе твердосплавным инструментом на низких скоростях резания изнашивание происходит по адгезионному механизму. О механизме изнашивания на высоких скоростях, имеющем более сложный характер, имеются различные гипотезы. По одной из них, главным механизмом изнашивания при данных условиях является диффузионное растворение атомов инструментального материала в обрабатываемом материале [2], по другой – образование микросколов в результате усталостных явлений [3]. В работе [4] установлено, что при обработке аустенитных нержавеющих сталей в широком диапазоне скоростей действуют параллельно два механизма изнашивания – адгезионный и диффузиионный и преобладание одного из них в основном определяется маркой применяемого твердого сплава. В [1] также отмечается, что при работе твердосплавным инструментом четкой границы между адгезионным и диффузиионным видами износа не существует, оба они могут действовать одновременно, и на изношенных поверхностях имеются как равномерно изношенные, так и оторванные зерна.

Автор работы [5] считает, что одной из причин существующего различия мнений относительно механизма износа на высоких скоростях резания является то, что использованные методы исследования могли приводить к серьезным ошибкам в определении основного механизма изнашивания из-за чрезвычайно малых размеров частиц износа, которые зачастую не могли обнаруживаться применяемыми приборами.

Современными экспериментальными исследованиями с применением электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального анализа, методов изучения внутреннего трения, экзоэлектронной эмиссии, Оже-спектроскопии [6], а также метода радиоактивных индикаторов, позволяющим измерить продукты изнашивания весом 10^-8 г и менее [5], установлено, что внешние признаки механизма изнашивания твердосплавного инструмента в низкотемпературной и высокотемпературной областях схожи.

При обработке твердыми сплавами группы ВК в условиях низких температур разрушение поверхности инструмента происходит за счет микросколов и вырывов отдельных зерен карбидной фазы и даже их групп. В области оптимальных температур размеры частиц износа существенно уменьшаются, происходит отрыв отдельных частичек и блоков с поверхности зерен карбидов WC. На высоких скоростях резания наблюдается срез большой группы зерен карбидов с передней и задней поверхностей инструмента. Увеличение частиц износа при этом происходит вследствие интенсификации диффузионных процессов [6].

Процесс изнашивания инструментов из твердых сплавов группы ТК имеет следующие закономерности [5]. Наличие сложных титановых и титанотанталовых карбидов в твердых сплавах этой группы способствует снижению прочности адгезионных связей, имеющих место по всей площади контакта между изнашиваемой поверхностью инструмента и обрабатываемым материалом, по сравнению с обработкой инструментами группы ВК. Это обуславливается менее интенсивным химическим взаимодействием сложных карбидов титана со сталью и их округлой формой. Вследствие этого, а также из-за более высокой твердости, эти сложные карбиды изнашиваются меньше, чем карбиды WC. Выступающие зерна карбидов титана испытывают возрастающие изгибающие нагрузки из-за удаления вокруг них карбидов WC и кобальтовой связки, что приводит к их разрушению. Размер частиц износа при этом примерно равен размеру исходных зерен.

Обзор экспериментальных исследований механизма износа при точении позволяют сделать следующие основные выводы:

1. по всей площади контакта, как на передней, так и на задней поверхностях инструмента существуют мостики сварки между обрабатываемым и инструментальным материалами, возникающие за счет образования химической (металлической) связи между кристаллическими решетками металлов на участках ювенильного контакта;
2. основным механизмом изнашивания твердосплавного инструмента, как на высоких, так и на низких скоростях обработки, является образование частиц износа, размеры и состав которых зависит, главным образом, от типа контактирующих материалов, уровня температур и сил трения в контакте [5, 6];
3. в условиях высоких температур и нагрузок, когда в контакт вступают ювенильные поверхности, доминирующим компонентом силы трения является адгезионная составляющая [7];
4. адгезионное взаимодействие является активным фактором в формировании качества обработанной поверхности, а именно, параметров шероховатости и уровня остаточных напряжений [7];
5. интенсивность изнашивания инструмента должна определяться в основном отношением прочности адгезионных связей на срез к микротвердости инструментального материала, причем элементы режима резания, геометрия инструмента, вид обрабатываемого материала и т. д. оказывают влияние на интенсивность изнашивания именно через данное соотношение [7];
6. с ростом нормальной нагрузки прочность связи линейно растет, а с ростом температуры - падает; зависимость от температуры имеет излом при некотором значении, названном характерной температурой;
7. значения характерных температур близки с температурами, оптимальными по износостойкости для различных пар контактирующих материалов, что может позволить определять оптимальную температуру резания по зависимости прочности адгезионной связи от температуры.

К сожалению, несмотря на большой объем экспериментальных работ и совершенство их методов, существующие методики расчета, как прочности адгезионных связей, так и расчета износа в целом, не являются гибкими, не могут прогнозировать поведение системы резания при изменении ряда факторов. Поэтому необходима разработка теоретических моделей, постепенно приближающихся к все более полному описанию процесса.

В настоящее время представляется возможным использование методов квантовой теории твердого тела для теоретического описания параметров адгезионного взаимодействия кристаллических решеток на микронеровностях контактов инструмент – стружка и инструмент - деталь. Это связано с тем, что возникновение адгезионной связи сопровождается процессами, происходящими на микроуровне. При сваривании кристаллических решеток разнородных материалов между ними образуется металлическая связь (разновидность химических связей, имеющая место в металлах). Образование связи между контактирующими металлами энергетически выгодно, так как происходит с уменьшением поверхностной энергии. Энергия, выделившаяся при образовании адгезионной связи, будет характеризовать ее прочность, а также долю выделяемого тепла при трении. Эта энергия может быть определена как разность полной электронной энергии системы в состоянии схватывания и суммы полных энергий отдельных кристаллов для заданного объема материала.

ЛИТЕРАТУРА

1. Трент Е. М. Резание металлов. – М.: Машиностроение, 1980. –263 с., ил
2. Лоладзе Т. Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. - М.: Машиностроение, 1982, 320с.
3. Гуревич Д. М. Износ твердосплавного инструмента при высоких температурах резания.// Вестник машиностроения. 1975, №5.
4. Талантов Н. В., Липатов А.А. Влияние неустойчивости процесса стружкообразования и особенностей контактного взаимодействия на износ твердосплавного инструмента при резании аустенитной нержавеющей стали.//Физические процессы при резании металлов. Межвузовский сборник научных трудов. – Волгоград: ВолгПИ, 1987.
5. Байрамов Ч. Г. Природа изнашивания твердосплавного режущего инструмента. – Баку: Элм, 2000 – 192 с.
6. Кабалдин Ю. Г. Структурно–энергетический подход к процессу изнашивания режущего инструмента.// Вестник машиностроения, 1990, №12.
7. Шустер Л. Ш. Адгезионное взаимодействие режущего инструмента с обрабатываемым материалом. – М.: Машиностроение, 1988, 96 с.: ил.

http://www.ostu.ru/conf/tech2002/sect2/silin.html