Как повысить стойкость режущего инструмента

Раздел ГРНТИ: Резание материалов
Захаров Б.П., Куруклис Г.Л.
Машгиз, 1962 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
Захаров Б.П., Куруклис Г.Л. Как повысить стойкость режущего инструмента

ШЛИФОВОЧНЫЕ ОЖОГИ

Чем объясняется такой странный характер износа? Почему вначале инструмент изнашивается быстро, а по­том медленнее? Это объясняется тем, что на поверхности вновь изготовленного или заново переточенного инстру­мента всегда имеется тонкий испорченный, поврежден­ный/или, как принято его называть, дефектный, слой. Мы не говорим о том браке, который получается иногда при неумелой или небрежной работе термистов и заточ­ников. Речь идет о таких повреждениях, которые полу­чаются даже при самом тщательном выполнении всех технологических процессов. Возникновение этого дефект­ного слоя, как мы сейчас увидим, почти неизбежно. Од­нако толщина его очень сильно зависит от качества ра­боты заточников. При неумелой и небрежной работе толщина дефектного слоя увеличивается.

Дефектный слой на поверхности режущего инстру­мента получается потому, что при заточке поверхность затачиваемого инструмента очень сильно нагревается. Температура в тонком слое на поверхности инструмента достигает нескольких сот градусов (800—1000°). Под влиянием, такого нагрева появляются так называемые шлифовочные ожоги, структура поверхностного слоя стального инструмента изменяется.

Кроме того, этот тонкий слой, почти мгновенно нагревшийся до очень высокой температуры, почти также быстро охлаждается со скоростью до 1000° -в секунду, так как остальная масса инструмента холодная. В ре­зультате этого происходит вторичная закалка, причем явно некачественная. Если инструмент изготовлен из углеродистой стали, то температура даже 800° для него излишне высока, и поверхностный слой окажется пере­гретым.

Если же инструмент изготовлен Ή3 быстрорежущей стали, то температура даже 1000° для нее совершенно недостаточна (для закалки быстрорежущей стали тре­буется температура 1250—1300°), и поверхностный слой окажется недогретым. А если быстрорежущую сталь не-догреть при закалке, то красностойкость ее сильно пони­зится.

Это еще не все. Некачественно закаленный поверх­ностный слой является еще и неотпущенным. А это так­же очень плохо: закаленная, но неотпущенная углероди­стая сталь слишком хрупка, а закаленная, но неотпущен­ная быстрорежущая сталь имеет пониженную твердость, стало быть, ее износостойкость будет также пони­женной.

Но и это еще не все. Под некачественно закаленным поверхностным слоем находится второй слой, который также нагревается при заточке, но до температуры 600—800°. При такой температуре происходит отпуск этого слоя. Твердость его снижается с 60—62 единиц по Роквеллу до 55—58 (быстрорежущая сталь) и до 30— 35 (углеродистая сталь).

Таким образом, получается, что от заточки на поверх­ности стального инструмента образуется тонкий некаче­ственно закаленный и неотпущенный слой, который лежит на переотпущенном слое, потерявшем нормальную твердость.

На фиг. 2 схематически изображена структура по­верхностного слоя инструмента, очень осторожно зато­ченного и не имеющего шлифовочных ожогов, и другого инструмента, заточенного в обычных условиях и имею­щего дефектную структуру поверхностного слоя.

На фиг. 3 показано распределение твердости на раз­личных расстояниях от поверхности заточенного инстру­мента.

Подтвердим сказанное одним очень интересным сним­ком. На фиг. 4 показана увеличенная фотография струк­туры поверхности быстрорежущей стали. Такая струк­тура получилась в результате работы одного зерна заточного круга. Средняя узкая полоска, идущая посере­дине снимка,— это след (царапинка), который оставило зерно на поверхности стали. Посмотрите, как изменилась структура стали от работы одного единственного абра­зивного зерна: вдоль царапинки по обеим ее сторонам располагается светлый слой вторично закаленной стали, а дальше за ним идут темные слои переотпущенной ста­ли. Когда производится настоящая заточка и работает не одно зерно, а множество зерен, то получается такая же картина, но только переотпущенные слои распола­гаются не рядом с вторично закаленными, а под ними.

Итак, дефектный поверхностный слой заточенного инструмента имеет плохую  структуру и пониженную твердость. Но, может быть, это не так уж и страшно? Положим, что твердость снизилась на несколько единиц. Вероятно, на несколько процентов снизится и стойкость инструмента. Если бы это так и было, тогда, действи­тельно, не стоило бы очень и огорчаться. На самом же деле все обстоит гораздо серьезнее. Рассмотрите внима­тельно фиг. 5, и вам станет ясно, почему так опасна пониженная твердость. Посмотрите, как круто взмывает кривая износа вверх по мере понижения твердости резца. Допустим, что вместо твердости 62—63 единиц по Роквеллу твердость резца получилась равной 58, т. е. умень­шилась на 4—5 единиц (всего на 7—8%). А сосчитайте на диаграмме по числу клеточек, на сколько увеличилась величина износа. Она увеличилась в три с лишним раза, то есть на 200%. Стойкость снизилась в три раза.

Очень интересна и фиг. 6. На ней изображена зави­симость износа резца от скорости резания при точении.

Ничего нет удивительного в том, что кривые поднимают­ся вверх. Так оно и должно быть: чем больше скорость резания, тем значительнее величина износа. Это естест­венно, но не это мы хотим- подчеркнуть. На фиг. 6 изо­бражены две кривые, постоянно расходящиеся по мере своего подъема. Одна из них относится к резцу, заточен­ному на круге, вращающемся со скоростью 33,3 м/сек, а другая — к резцу, заточенному на круге, вращающемся со скоростью, вдвое меньшей (16 м/сек). И χοτ резец, который был заточен при более высокой скорости заточ­ного круга, быстрее изнашивается. В самом деле, срав­ним величины износа обоих резцов, например, при ско­рости точения 40 м/мин. Величина износа одного резца почти вдвое больше величины износа другого. Это легко сосчитать по клеточкам. Эту разницу в величинах износа нетрудно объяснить: у то-

го резца, который был заточен на круге, вра­щавшемся с большой скоростью, структурные изменения от нагрева по­лучились более значи­тельными, потому что и нагрев был значительнее, да и дефектная структура распространилась на боль­шую глубину.

Мало того, что зато­ченный инструмент имеет в поверхностном слое дефектную структуру и по

ниженную   твердость.   В  этом поверхностном велики  и внутренние напряжения.  В самом  деле, поверхностные   слои инструмента нагреваются при заточке до очень высокой температуры за короткое время. Нагревшись, они долж­ны расширяться, но этого не может произойти, так как эти нагретые слои прочно скреплены с более глубокими холодными слоями. Наружные слои должны расширить­ся, но не могут, значит, они окажутся как бы.сжатыми, а внутренние слои — растянутыми; их растягивают на­гретые наружные слои. При последующем, также очень быстром охлаждении возникнут новые напряжения, ко­торые отчасти уменьшат прежние напряжения, возник­шие при нагревании, а отчасти будут с ними суммиро­ваться.

Инструментальщики знали, что эти напряжения зна­чительны, но они не знали точного значения внутренних напряжений. Сравнительно недавно одному американ­скому ученому удалось, применив рентгеновский метод, определить численные значения этих внутренних напря­жений. Результаты его определений представлены на фиг. 7. Обратите внимание, какой громадной величины достигают напряжения в самом поверхностном слое (90 кг/мм2).

Для того чтобы легче было представить эту величину, напомним, что предел прочности стали марки Ст. 3 со­ставляет всего 40—50 кг/мм2.

Поверхностный слой заточенного инструмента с де­фектной структурой, оказывается, не только имеет пони­женную твердость, но к тому же еще и хрупок, так как весьма напряжен.

После всего сказанного легко понять, почему стальной инструмент изнашивается неравномерно. Вначале он изнашивается очень быстро, потому что в этот период происходит износ поверхностного дефектного слоя, имею­щего низкую твердость и большие внутренние напряже­ния. Когда этот дефектный слой полностью износится, наступает второй период — период незначительного из­носа части инструмента с нормальной структурой. Когда же режущая кромка затупится, сила резания возрастает настолько, что увеличится трение и усилится нагрев, в результате чего возрастет износ.