Надежность и диагностика технологических систем: Учебное пособие, страница 4

           Хрупкое разрушение инструмента является результатом накапливания и развития микротрещин под действием приложенной нагрузки. Различают скалывание и выкрашивание режущей части. Скалывание (поломка) – отделение сравнительно большого объема лезвия. Доля отказов инструмента от скалывания значительна. Скалываются твердосплавные и быстрорежущие сверла, фрезы, метчики и другие  инструменты. Скалывание происходит при возникновении напряжений, превышающих предел прочности материала инструмента. Скалывание зависит от формы передней поверхности инструмента, углов γ и β, подачи S и толщины среза а. Рассчитываются напряжения в режущем лезвии как сумма напряжений от действия сил резания, от температурных деформациях и остаточных напряжений, возникших при изготовлении инструмента. Хрупкое скалывание вызывают максимальные остаточные напряжения, возникающие на передней поверхности на расстоянии от режущего лезвия, равном 2-2,5 длинам контакта стружки с этой поверхностью [1].

           Выкрашивание режущих кромок в виде хрупкого разрушения возникает в малых объемах в области площадок контакта на передней и задней поверхностях.

           Отказы характерны для твердосплавных пластинок и керамики при обработке труднообрабатываемых материалов. Особенно часто выкрашивание возникает при отрезке и прорезке канавок у вершин резца из-за высоких напряжений  вследствие стесненных условий резания.

Часто выкрашивание возникает при прерывистом резании из-за термоциклических напряжений. Для хрупких тел термические напряжения sθ определяются уравнением:

ςθ= Eα(1-ν)-1x0 grad θ dx

где:

Е- модуль упругости;

α- коэффициент линейного расширения

ν- коэффициент Пуассона

grad θ- градиент температур в режущем лезвии.

Величина sq зависит только от   grad θ. При прерывистом резании чередуется нагрев при рабочем ходе и охлаждение при холостом. Создается большой температурный градиент, связанный с запаздыванием нагревания и меньшей скоростью нагревания в более отдаленных от источников тепла точек. Периодическое воздействие знакопеременных термических напряжений на поверхностные слои хрупких материалов приводит к усталостным явлениям и выкрашиванию. Особенно неблагоприятны напряжения растяжения, возникающие при рабочем ходе инструмента. Хрупкому разрушению способствует также наростообразование. Износ инструмента повышает мощность источника тепла, что усиливает тенденцию выкрашивания.

Выкрашивание является закономерным процессом, в то время как скалывание обусловлено ошибками при проектировании, изготовлении или эксплуатации инструмента. Пластическое деформирование может быть причиной отказов как быстрорежущих, так и твердосплавных инструментов. Скругление режущей кромки под действием давлений и высоких температур приводит к развитию локальной пластической деформации, приводящей к сдвигу вершин по линиям скольжения криволинейной формы. Инструмент после этого работоспособен. Отказ вызывают большообъемные пластические деформации, вызываемой завышенными режимами черновой или получистовой обработки. Разупрочняется материал, возникает пластическое течение поверхностных слоев, а затем срез вдоль заданной поверхности.

Отказ инструмента вследствие пластической деформации может произойти в любой момент в результате ползучести.

При рациональной эксплуатации режущего инструмента около 80% отказов вызвано износом. В зависимости от служебного назначения инструмента используют два критерия затупления:

1  Критерием оптимального износа, при котором начинается катастрофическое затупление или резко повышается вероятность хрупкого разрушения или требуется снятие большого объема при переточке. Он служит целям рациональной эксплуатации инструмента и применяется при предварительной обработке.

2  Технологический критерий износа, при достижении которого недопустимо увеличивается шероховатость или нарушается требования и точность. Используется при чистовой обработке, обеспечивая заданное качество детали.

При технологическом критерии допустимый износ меньше, чем при оптимальном. Рекомендации по допускаемым износам приводятся в литературе в виде формул или нормативов.

          Часто при токарной обработке критерием отказа инструмента служит неблагоприятная форма стружки. Стружка в виде ленты или шпаги приводит к авариям на автоматизированных станках. При износе инструмента даже в условиях нормального стружколомания меняется форма передней поверхности, радиус стружкозавивающей канавки, стирается стружколомающий упор и др. В результате стружка получает неблагоприятную форму и пластину приходится мешать.

          Отказы возникают также из-за наростов и налипов, когда шероховатости режущих кромок протяжек, разверток, фасонных резцов копируются на обработанной поверхности.

Отказы инструмента можно разделить на прогнозируемые (ожидаемые) и непрогнозируемые (неожидаемые) ( таблица 1.2 ). Прогнозируемые отказы возникают при работе инструментом с оптимальными начальными параметрами при оптимальных условиях резания. Отказы обычно возникают из-за износа до допускаемой величины. При прерывистом резании наряду с износом отказы прогнозируются вследствие выкрашивания из-за термоциклических или усталостных изменений. Прогнозируемые отказы обычно устраняются переточкой. Непрогнозируемые отказы происходят, когда условия эксплуатации  или начальное состояние инструмента не оптимальны. Наряду с износом и выкрашиванием характерны сколы, поломки или пластическое разрушение инструмента.

Обеспечение надежности инструмента должно охватывать весь его жизненный цикл:

а) на стадии проектирования определяются условия эксплуатации инструмента и назначаются параметры его начального состояния для условий работы и требований обработки;

б)на стадии изготовления достигается заданное начальное состояние, обеспечивающее эксплуатацию при заданных показателях надежности и реализуются мероприятия по повышению надежности;