Вследствие трения скольжения и действия высокой температуры в местах контакта режущего клина со стружкой и поверхностью резания происходит износ фрезы путем удаления с рабочих поверхностей зубьев микрочастиц.
Режущий инструмент изнашивается в особо тяжелых условиях при постоянно обновляющихся трущихся поверхностях, высоких давлениях и температурах. Различают три вида износа: абразивный, молекулярный и диффузионный.
Абразивный износ фрез происходит в результате царапания - срезания мельчайших частиц инструмента твердыми включениями обрабатываемого материала. Такой износ преимущественно наблюдается при резании чугуна, высокоуглеродистых и легированных инструментальных сталей, имеющих в структуре весьма твердые зерна карбидов, а также при обработке отливок с твердой и загрязненной коркой.
Молекулярный износ фрез сопровождается вырыванием с поверхностей инструмента мельчайших частиц стружкой и поверхностью резания заготовки вследствие действия между ними значительных сил молекулярного сцепления (прилипания, сваривания) и относительного скольжения. Такой вид износа в основном наблюдается при фрезеровании пластичных металлов, особенно труднообрабатываемых сталей (жаростойких, нержавеющих и др.).
При высоких температурах в зоне резания происходит диффузия, в результате которой изменяется химический состав и механические свойства поверхностных слоев инструмента, что ускоряет его износ. При фрезеровании инструмент изнашивается по передней и задней поверхностям (рис. 1, а). На передней поверхности зуба фрезы стружка выбирает лунку, а на задней образуется притертая к поверхности резания площадка без заднего угла.
Износ преобладает на задних поверхностях зубьев фрезы. В некоторых случаях при обработке пластичных металлов дисковыми и торцовыми фрезами, когда продолжительность контакта зубьев с заготовкой относительно большая, износ появляется и на передних поверхностях.
Интенсивность износа инструмента в течение его работы неодинакова. Ее можно изобразить в виде графика (рис. 1, б), на котором по горизонтали откладывается время работы фрезы, а по вертикали - ее износ. В течение первого периода (участок кривой ОА) происходит приработка трущихся поверхностей, когда сглаживаются шероховатости, оставшиеся после заточки инструмента. Продолжительность этого периода можно сократить доводкой фрезы. Второй период (участок АВ) характеризуется нормальной (медленной) скоростью износа и составляет около 90...95 % времени работы фрезы. Третий период (участок вс) - период усиленного износа, по достижении которого фрезы необходимо снимать со станка для переточки. В противном случае для их восстановления заточкой понадобится срезать с 3 зубьев значительные слой металла, что намного сократит суммарную продолжительной работы фрез и значительно увеличит их расход.
Рис. 1. Характер и периоды износа зуба фрезы
Признаки предельно допустимого износа (критерия затупления), указывающие на необходимость переточки инструмента, зависят от характера выполняемой работы. При черновом фрезеровании, когда точность и чистота обработки не являются конечной целью, допустимый износ практически определяют по следующим внешним признакам: появлению на поверхности резания блестящей полоски (при обработке стали) или темных пятен (при обработке чугуна): резкому увеличению усилия Подачи и шероховатости обработанной поверхности; изменению формы и цвета стружки. При чистовом фрезеровании износ фрезы определяют по снижению точности и чистоты обработки по сравнению с допускаемыми.
Время переточки можно также установить по допустимой ширине площадки износа, по главной задней поверхности зуба, величина которой приводится в справочниках. Например, для торцовых фрез, оснащенных твердым сплавом, при черновой обработке стали h3=1,5...2 мм, при чистовой - h3=0,8...1 мм. Для цилиндрических и дисковых фрез эти значения износа примерно в два раза меньше. В массовом производстве допустимый износ ограничивают принудительной заточкой инструментов через определенные промежутки времени.
Износ и стойкость режущего инструмента
При фрезеровании время работы между переточками (стойкость режущего инструмента) состоит из трех периодов (рис. 2). Каждый период характеризуется продолжительностью времени работы (t, мин), величиной износа - ленточкой (h, мм) по задней поверхности зуба и интенсивностью роста этого износа tg β.
Рис. 2. График, характеризующий износ зубьев фрезы
Первый период работы фрезы называют приработочным или начальным. Большие удельные нагрузки, характерные для начального периода, вызывают интенсивный износ, а иногда и выкрашивания зуба. За короткий отрезок времени, измеряемый несколькими минутами или секундами, режущий инструмент изнашивается на величину һп, которая может быть относительно большой. Например, при фрезеровании стали 45Г17ЮЗ концевыми быстрорежущими (из Р18) фрезами со скоростью резания 14,2 м/мин, подачей 0,15 мм/зуб начальный износ составляет 0,1 мм. Продолжительность работы первого периода 1 мин. Таким образом, за 1 мин работы (4% от всего периода стойкости) фреза изнашивается на 20%. Интенсивность износа tg β=2,54. Величина приработочного износа обусловлена во многом шероховатостью заточенных поверхностей инструмента. Качественной заточкой можно увеличить начальную стойкость режущего инструмента. Для доведенного инструмента или инструмента с твердым покрытием величина приработочного износа имеет минимальные значения.
Удельный износ ∆и режущего инструмента в начальный период достигает значительной величины. Под удельным износом понимают отношение массы изношенного инструментального материала к массе срезанного обрабатываемого материала.
После окончания первого периода износа наступает второй, который называют рабочим, он составляет 80-95% всего времени работы инструмента между переточками. Интенсивность износа, характеризуемая углом наклона βр кривой износа, зависит от свойств обрабатываемого и инструментального материалов, параметров режима резания, качества поверхностного слоя режущего инструмента и др.
Величина удельного износа в рабочий период имеет минимальное значение, оно примерно одинаковое в продолжение всего периода.
Допустимая величина износа (критерий затупления) определяется характером технологической операции. На предварительной операции нельзя допускать наступления периода усиленного износа. Если не прекратить работу фрез, то за короткий отрезок времени усиленного износа (3-5% от общего периода стойкости инструмента) зубья фрез износятся на значительную величину (һ до 1,5-2,5 мм) или вообще придут в негодность. В качестве критерия затупления принимают износ по задней поверхности в пределах: концевые фрезы - 0,45-0,55; торцовые фрезы - 0,8-1,00; дисковые фрезы - 0,4-0,5 мм.
Наступлению критерия затупления практически всегда соответствуют изменения в технологической системе - усиление вибраций, изменение характера и цвета стружки и др.
Для чистовых (финишных) технологических операций в качестве критерия затупления принимают величину размерного износа hp, (рис. 3, а), которая определяется допуском на заданный размер. При фрезеровании следует устанавливать такие режимы резания, при которых инструмент работал бы в условиях нормального износа.
Рис. 3. Износ зуба фрезы по задней (а) и передней (б) поверхностям
Если в начале эксплуатации инструмента происходят сколы и выкрашиваются зубья фрезы, то это свидетельствует о большой силовой нагрузке, действующей на фрезу. Следовательно, необходимо уменьшить подачу. Сколы и выкрашивания зубьев, появляющиеся после некоторого времени работы, указывают на то, что происходит усталостное разрушение инструмента вследствие суммарного воздействия механических и температурных напряжений.
Пластическое разрушение (оплавление) режущих кромок инструмента говорит о том, что-либо значительно завышена скорость резания, либо износ эксплуатируемой фрезы превышает допустимый. Теплообразование при резании металла (быстрорежущих сталей), не должно превышать 850 К. Превышение данной температуры даже на 30-50° будет способствовать интенсивному снижению твердости инструментального материала: произойдет температурный отпуск и разрушение зуба фрезы. При температуре в зоне резания 800-850 К стружка темно-синего цвета при фрезеровании углеродистых сталей и золотистого цвета - в случае резания жаропрочных материалов. Следовательно, если при обработке быстрорежущими фрезами сходящая стружка имеет (в зависимости от обрабатываемого материала) темно-синий или золотистый цвет, то необходимо откорректировать режимы фрезерования, снизив скорость резания, подачу или (может быть) заменить инструмент.
